مسبار SuperNova / Acceleration ، SNAP. حقوق الصورة: Berkeley Lab انقر للتكبير
ما هي الطاقة المظلمة الغامضة التي تتسبب في تسارع توسع الكون؟ هل هو شكل من أشكال الثابت الكوني الشهير لأينشتاين ، أم أنه قوة نفور غريبة ، يطلق عليها "الجوهر" ، والتي يمكن أن تشكل ما يصل إلى ثلاثة أرباع الكون؟ يعتقد علماء من مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) وكلية دارتموث أن هناك طريقة لمعرفة ذلك.
في ورقة ستنشر في رسائل المراجعة الفيزيائية ، أظهر الفيزيائيان إريك ليندر من مختبر بيركلي وروبرت كالدويل من دارتموث أن نماذج الفيزياء للطاقة المظلمة يمكن فصلها إلى سيناريوهات مميزة ، والتي يمكن استخدامها لاستبعاد ثابت آينشتاين الكوني وشرح الطبيعة الطاقة المظلمة. علاوة على ذلك ، يجب أن يتمكن العلماء من تحديد أي من هذه السيناريوهات هو الصحيح مع التجارب المخطط لها لبعثة الطاقة المظلمة المشتركة (JDEM) التي اقترحتها وكالة ناسا ووزارة الطاقة الأمريكية.
يقول ليندر: "كان العلماء يجادلون في السؤال" كيف نحتاج بدقة إلى قياس الطاقة المظلمة من أجل معرفة ما هي؟ " "ما قمنا به في ورقتنا هو اقتراح حدود دقيقة للقياسات. لحسن الحظ ، يجب أن تكون هذه الحدود في نطاق تجارب JDEM ".
كلا من ليندر وكالدويل عضوان في فريق تعريف العلوم DOE-NASA لـ JDEM ، الذي يتحمل مسؤولية وضع المتطلبات العلمية للبعثة. ليندر هو زعيم المجموعة النظرية لـ SNAP؟ SuperNova / Acceleration Probe ، إحدى المركبات المقترحة لتنفيذ مهمة JDEM. كالدويل ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في دارتموث ، هو أحد منشئي مفهوم الجوهر.
يصف كل من Linder و Caldwell في ورقتهما في Physical Review Letters سيناريوهين ، أحدهما يسمونه "الذوبان" والآخر يسمونه "التجميد" ، والذي يشير إلى مصائر مختلفة بشكل واضح لكوننا المتوسع بشكل دائم. بموجب سيناريو الذوبان ، سينخفض تسارع التوسع تدريجياً ويتوقف في النهاية ، مثل السيارة عندما يخفف السائق من دواسة الوقود. قد يستمر التوسع بشكل أبطأ ، أو قد يتراجع الكون حتى. في ظل سيناريو التجميد ، يستمر التسارع إلى أجل غير مسمى ، مثل السيارة التي تضغط بها دواسة الوقود على الأرض. سيصبح الكون منتشرًا بشكل متزايد ، حتى تجد مجرتنا نفسها في نهاية المطاف وحدها في الفضاء.
يستبعد أي من هذين السيناريوهين الثابت الكوني لأينشتاين. في ورقتهم يظهر ليندر وكالدويل ، لأول مرة ، كيفية فصل فكرة آينشتاين عن الاحتمالات الأخرى. على أية حال ، تحت أي سيناريو ، الطاقة المظلمة هي قوة يجب أن يحسب لها حساب.
يقول ليندر ، "لأن الطاقة المظلمة تشكل حوالي 70 بالمائة من محتوى الكون ، فإنها تسيطر على محتوى المادة. وهذا يعني أن الطاقة المظلمة ستحكم التوسع ، وفي النهاية ستحدد مصير الكون ".
في عام 1998 ، هزت مجموعتان بحثيتان مجال علم الكونيات بإعلاناتهما المستقلة بأن توسع الكون يتسارع. من خلال قياس الانزياح الأحمر للضوء من المستعرات الأعظمية من النوع Ia ، ونجوم الفضاء البعيد التي تنفجر بطاقة مميزة ، حددت فرق مشروع Supernova Cosmology الذي يقع مقره في مختبر Berkeley Lab وفريق بحث High-Z Supernova المتمركز في أستراليا أن توسع الكون في الواقع يتسارع وليس التباطؤ. أعطيت القوة غير المعروفة وراء هذا التوسع المتسارع اسم "الطاقة المظلمة".
قبل اكتشاف الطاقة المظلمة ، رأت الحكمة العلمية التقليدية أن الانفجار العظيم أدى إلى توسع الكون الذي سيتباطأ تدريجياً بسبب الجاذبية. إذا كان محتوى المادة في الكون يوفر جاذبية كافية ، فسيوقف التمدد يومًا ما تمامًا وسيعود الكون إلى نفسه في أزمة كبيرة. إذا كانت الجاذبية من المادة غير كافية لإيقاف التمدد تمامًا ، فسيستمر الكون في الطفو للأبد.
يقول كالدويل: "من إعلانات عام 1998 والقياسات اللاحقة ، نعلم الآن أن التوسع المتسارع للكون لم يبدأ إلا في وقت ما خلال العشرة مليارات سنة الماضية".
يتدافع علماء الكونيات الآن لتحديد الطاقة المظلمة بالضبط. في عام 1917 ، عدل أينشتاين نظريته النسبية العامة بثابت كوني ، والذي ، إذا كانت القيمة صحيحة ، سيسمح للكون بالوجود في حالة ثابتة ومتوازنة تمامًا. على الرغم من أن أكثر علماء الفيزياء شهرة في التاريخ سيطلقون لاحقًا إضافة هذا الثابت على أنه "أعظم خطأ" ، إلا أن اكتشاف الطاقة المظلمة أعاد إحياء الفكرة.
يقول ليندر: "كان الثابت الكوني طاقة فراغية (طاقة الفضاء الفارغ) منعت الجاذبية من سحب الكون في نفسه". "مشكلة الثابت الكوني هي أنه ثابت ، بنفس كثافة الطاقة والضغط ومعادلة الحالة بمرور الوقت. الطاقة المظلمة ، مع ذلك ، يجب أن تكون ضئيلة في المراحل الأولى من الكون ؛ وإلا لما كانت المجرات وكل نجومها قد تشكلت أبداً ".
لكي يسفر ثابت آينشتاين الكوني عن الكون الذي نراه اليوم ، يجب أن يكون مقياس الطاقة أصغر بكثير من أي شيء آخر في الكون. في حين أن هذا قد يكون ممكنًا ، يقول ليندر ، فإنه لا يبدو محتملًا. أدخل مفهوم "الجوهر" ، الذي سمي على اسم العنصر الخامس لليونانيين القدماء ، بالإضافة إلى الهواء والأرض والنار والماء ؛ اعتقدوا أنها القوة التي تثبت القمر والنجوم في مكانها.
يقول كالدويل: "الجاذبية هي شكل ديناميكي يتطور مع الزمن ويعتمد على المكان من الطاقة مع ضغط سلبي كافٍ لدفع التوسع المتسارع". "في حين أن الثابت الكوني هو شكل محدد للغاية من الطاقة؟ طاقة فراغ؟ الجوهر يشمل فئة واسعة من الاحتمالات ".
للحد من احتمالات الجاذبية وتوفير أهداف ثابتة للاختبارات الأساسية التي ستؤكد أيضًا ترشحها كمصدر للطاقة المظلمة ، استخدم ليندر وكالدويل مجال عددي كنموذج لهم. يمتلك الحقل الحجمي مقياسًا للقيمة وليس الاتجاه لجميع النقاط في الفضاء. مع هذا النهج ، كان المؤلفون قادرين على إظهار الجوهر كمجال عددي يريح طاقته الكامنة إلى أدنى قيمة. فكر في مجموعة من الينابيع تحت الضغط وممارسة الضغط السلبي الذي يقاوم الضغط الإيجابي للجاذبية.
قال ليندر "إن الحقل القياسي هو مثل حقل الينابيع الذي يغطي كل نقطة في الفضاء ، حيث يمتد كل ربيع إلى طول مختلف". "بالنسبة لثابت أينشتاين الكوني ، سيكون كل ربيع بنفس الطول وبدون حراك."
بموجب سيناريو الذوبان ، تم "تجميد" الطاقة الكامنة في مجال الجوهر حتى يتم إطلاق كثافة المواد المتناقصة للكون المتوسع بشكل تدريجي. في سيناريو التجميد ، كان مجال الجوهر يتجه نحو الحد الأدنى من إمكاناته منذ أن خضع الكون للتضخم ، ولكن عندما يتعلق الأمر بالسيطرة على الكون ، يصبح تدريجياً قيمة ثابتة.
اقتراح SNAP هو في البحث والتطوير من قبل الفيزيائيين والفلكيين والمهندسين في مختبر Berkeley Lab ، بالتعاون مع زملاء من جامعة كاليفورنيا في Berkeley والعديد من المؤسسات الأخرى ؛ إنه يدعو إلى تلسكوب عاكس ثلاثي المرآة يبلغ قطره مترين في مدار في الفضاء البعيد ، يمكن استخدامه للعثور على آلاف من المستعرات الأعظمية من النوع Ia وقياسها كل عام. يجب أن توفر هذه القياسات معلومات كافية للإشارة بوضوح إلى سيناريو الذوبان أو التجميد؟ أو لشيء آخر جديد تمامًا وغير معروف.
يقول ليندر ، "إذا كانت نتائج قياسات مثل تلك التي يمكن إجراؤها باستخدام SNAP تقع خارج سيناريوهات الذوبان أو التجميد ، فقد نضطر إلى النظر إلى ما وراء الجوهر ، ربما إلى المزيد من الفيزياء الغريبة ، مثل تعديل نظرية آينشتاين العامة النسبية لشرح الطاقة المظلمة ".
المصدر الأصلي: نشرة Berkeley Lab الإخبارية
