Die SuperNova/Beschleunigungssonde, SNAP. Bildnachweis: Berkeley Lab Zum Vergrößern anklicken
Was ist die mysteriöse dunkle Energie, die die Expansion des Universums beschleunigt? Ist es eine Form von Einsteins berühmtem kosmologische Konstante , oder ist es eine exotische, abstoßende Kraft, die als „Quintessenz“ bezeichnet wird und bis zu drei Viertel des Kosmos ausmachen könnte? Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und des Dartmouth College glauben, dass es einen Weg gibt, dies herauszufinden.
In einem Artikel, der in Physical Review Letters veröffentlicht werden soll, zeigen die Physiker Eric Linder vom Berkeley Lab und Robert Caldwell von Dartmouth, dass physikalische Modelle der Dunklen Energie in verschiedene Szenarien unterteilt werden können, die verwendet werden könnten, um Einsteins kosmologische Konstante auszuschließen und die Natur zu erklären von dunkler Energie. Welches dieser Szenarien richtig ist, sollen die Wissenschaftler zudem mit den geplanten Experimenten für die von der NASA und dem US-Energieministerium vorgeschlagene Joint Dark Energy Mission (JDEM) ermitteln können.
„Wissenschaftler haben sich die Frage gestellt, wie genau wir dunkle Energie messen müssen, um zu wissen, was sie ist?“, sagt Linder. „Was wir in unserem Papier getan haben, ist, Präzisionsgrenzen für die Messungen vorzuschlagen. Glücklicherweise sollten diese Grenzen im Bereich der JDEM-Experimente liegen.“
Linder und Caldwell sind beide Mitglieder des Wissenschaftsdefinitionsteams der DOE-NASA für JDEM, das für die Erstellung der wissenschaftlichen Anforderungen der Mission verantwortlich ist. Linder ist Leiter der Theoriegruppe für SNAP ? die SuperNova/Acceleration Probe, eines der vorgeschlagenen Fahrzeuge zur Durchführung der JDEM-Mission. Caldwell, Professor für Physik und Astronomie in Dartmouth, ist einer der Begründer des Quintessenzkonzepts.
In ihrem Aufsatz in Physical Review Letters beschreiben Linder und Caldwell zwei Szenarien, eines nennen sie „Auftauen“ und eines nennen sie „Einfrieren“, die auf deutlich unterschiedliche Schicksale für unser ständig expandierendes Universum hinweisen. Im Tauwetter-Szenario nimmt die Beschleunigung der Expansion allmählich ab und kommt schließlich zum Stillstand, wie bei einem Auto, wenn der Fahrer das Gaspedal nachlässt. Die Expansion kann sich langsamer fortsetzen oder das Universum kann sogar wieder zusammenbrechen. Im Einfrieren-Szenario wird die Beschleunigung unbegrenzt fortgesetzt, wie bei einem Auto, bei dem das Gaspedal bis zum Boden gedrückt wird. Das Universum würde immer diffuser werden, bis sich unsere Galaxie schließlich allein im Weltraum wiederfinden würde.
Beide Szenarien schließen Einsteins kosmologische Konstante aus. Linder und Caldwell zeigen in ihrem Beitrag erstmals, wie sich Einsteins Idee sauber von anderen Möglichkeiten trennen lässt. In jedem Szenario ist dunkle Energie jedoch eine Kraft, mit der man rechnen muss.
Linder sagt: „Da dunkle Energie etwa 70 Prozent des Inhalts des Universums ausmacht, dominiert sie den Materiegehalt. Das bedeutet, dass dunkle Energie die Expansion regeln und letztendlich das Schicksal des Universums bestimmen wird.“
1998 erschütterten zwei Forschungsgruppen die Kosmologie mit ihren unabhängigen Ankündigungen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Durch die Messung der Rotverschiebung des Lichts von Supernovae vom Typ Ia, Weltraumsternen, die mit einer charakteristischen Energie explodieren, stellten die Teams des Supernova Cosmology Project mit Sitz im Berkeley Lab und des High-Z Supernova Search Teams mit Sitz in Australien fest, dass die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt, nicht verlangsamt. Die unbekannte Kraft hinter dieser beschleunigten Expansion erhielt den Namen „Dunkle Energie“.
Vor der Entdeckung der dunklen Energie war die konventionelle wissenschaftliche Weisheit der Ansicht, dass der Urknall zu einer Expansion des Universums geführt hatte, die durch die Schwerkraft allmählich verlangsamt wurde. Wenn der Materiegehalt im Universum genug Schwerkraft lieferte, würde die Expansion eines Tages ganz aufhören und das Universum würde in einem Big Crunch auf sich selbst zurückfallen. Wenn die Schwerkraft der Materie nicht ausreichen würde, um die Expansion vollständig zu stoppen, würde das Universum für immer weiter auseinanderschweben.
„Aus den Ankündigungen von 1998 und nachfolgenden Messungen wissen wir jetzt, dass die beschleunigte Expansion des Universums erst in den letzten 10 Milliarden Jahren einsetzte“, sagt Caldwell.
Kosmologen versuchen nun herauszufinden, was genau dunkle Energie ist. 1917 ergänzte Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie um eine kosmologische Konstante, die, wenn der Wert stimmte, dem Universum erlauben würde, in einem perfekt ausgeglichenen, statischen Zustand zu existieren. Obwohl der berühmteste Physiker der Geschichte die Hinzufügung dieser Konstanten später als seinen „größten Fehler“ bezeichnete, hat die Entdeckung der dunklen Energie die Idee wiederbelebt.
„Die kosmologische Konstante war eine Vakuumenergie (die Energie des leeren Raums), die die Schwerkraft davon abhielt, das Universum in sich hineinzuziehen“, sagt Linder. „Ein Problem mit der kosmologischen Konstante ist, dass sie konstant ist, mit der gleichen Energiedichte, dem gleichen Druck und der gleichen Zustandsgleichung über die Zeit. Dunkle Energie musste jedoch in den frühesten Stadien des Universums vernachlässigbar sein; sonst hätten sich die Galaxien und all ihre Sterne nie gebildet.“
Damit Einsteins kosmologische Konstante zu dem Universum führt, das wir heute sehen, müsste die Energieskala um viele Größenordnungen kleiner sein als alles andere im Universum. Dies sei zwar möglich, sagt Linder, aber nicht wahrscheinlich. Geben Sie den Begriff „Quintessenz“ ein, der neben Luft, Erde, Feuer und Wasser nach dem fünften Element der alten Griechen benannt ist; sie glaubten, es sei die Kraft, die Mond und Sterne an Ort und Stelle hielt.
„Quintessenz ist eine dynamische, sich zeitlich entwickelnde und raumabhängige Energieform mit ausreichendem Unterdruck, um die beschleunigte Expansion voranzutreiben“, sagt Caldwell. „Während die kosmologische Konstante eine ganz bestimmte Energieform ist? Vakuumenergie? quintessence umfasst eine breite Klasse von Möglichkeiten.“
Um die Möglichkeiten der Quintessenz einzuschränken und feste Ziele für grundlegende Tests bereitzustellen, die auch ihre Kandidatur als Quelle dunkler Energie bestätigen würden, verwendeten Linder und Caldwell ein Skalarfeld als ihr Modell. Ein Skalarfeld besitzt ein Wertmaß, aber nicht eine Richtung für alle Punkte im Raum. Mit diesem Ansatz konnten die Autoren die Quintessenz als skalares Feld zeigen, das seine potentielle Energie auf einen minimalen Wert entspannt. Stellen Sie sich einen Satz Federn vor, die unter Spannung stehen und einen negativen Druck ausüben, der dem positiven Druck der Schwerkraft entgegenwirkt.
„Ein Quintessenz-Skalarfeld ist wie ein Feld von Federn, das jeden Punkt im Raum bedeckt, wobei jede Feder auf eine andere Länge gestreckt ist“, sagte Linder. „Für Einsteins kosmologische Konstante wäre jede Feder gleich lang und bewegungslos.“
In ihrem Auftauszenario wurde die potentielle Energie des Quintessenzfeldes an Ort und Stelle „eingefroren“, bis die abnehmende materielle Dichte eines expandierenden Universums sie allmählich freisetzte. Im Einfrier-Szenario bewegt sich das Quintessenzfeld seit der Inflation des Universums in Richtung seines minimalen Potenzials, aber wenn es das Universum dominiert, wird es allmählich zu einem konstanten Wert.
Der SNAP-Vorschlag wird von Physikern, Astronomen und Ingenieuren am Berkeley Lab in Zusammenarbeit mit Kollegen der University of California in Berkeley und vielen anderen Institutionen erforscht und entwickelt; es erfordert ein 2-Meter-Spiegelteleskop mit drei Spiegeln in einer Weltraumumlaufbahn, mit dem jedes Jahr Tausende von Supernovae vom Typ Ia gefunden und vermessen werden sollen. Diese Messungen sollten genügend Informationen liefern, um eindeutig auf das Tau- oder Einfrier-Szenario hinzuweisen. oder auf etwas ganz Neues und Unbekanntes.
Linder sagt: „Wenn die Ergebnisse von Messungen wie denen, die mit SNAP gemacht werden könnten, außerhalb der Auftau- oder Einfrier-Szenarien liegen, dann müssen wir möglicherweise über die Quintessenz hinausschauen, vielleicht sogar auf noch exotischere Physik, wie etwa eine Modifikation von Einsteins Allgemeine Theorie.“ der Relativitätstheorie, um die Dunkle Energie zu erklären.“
Originalquelle: Berkeley Lab Pressemitteilung