سوبر نوفا / مسبار التسارع SNAP. رصيد الصورة: Berkeley Lab انقر للتكبير
ما هي الطاقة المظلمة الغامضة التي تسبب تسارع توسع الكون؟ هل هو شكل من أشكال شهرة أينشتاين الثابت الكوني ، أم أنها قوة مثيرة للاشمئزاز ، يطلق عليها اسم '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 للنشر في Physical Review Letters ، أوضح الفيزيائيان إريك ليندر من مختبر بيركلي وروبرت كالدويل من دارتموث أن النماذج الفيزيائية للطاقة المظلمة يمكن فصلها إلى سيناريوهات مميزة ، والتي يمكن استخدامها لاستبعاد ثابت أينشتاين الكوني وشرح الطبيعة من الطاقة المظلمة. علاوة على ذلك ، يجب أن يكون العلماء قادرين على تحديد أي من هذه السيناريوهات هو الصحيح من خلال التجارب المخطط لها لمهمة الطاقة المظلمة المشتركة (JDEM) التي اقترحتها وكالة ناسا ووزارة الطاقة الأمريكية.
يقول ليندر: 'كان العلماء يجادلون في السؤال' ما مدى الدقة التي نحتاجها لقياس الطاقة المظلمة من أجل معرفة ماهيتها؟ ' 'ما فعلناه في ورقتنا هو اقتراح حدود الدقة للقياسات. لحسن الحظ ، يجب أن تكون هذه الحدود في نطاق تجارب JDEM '.
كل من ليندر وكالدويل عضوان في فريق التعريف العلمي التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ووكالة ناسا لـ JDEM ، والذي يتحمل مسؤولية وضع المتطلبات العلمية للبعثة. ليندر هو قائد المجموعة النظرية لبرنامج SNAP؟ SuperNova / Acceleration Probe ، إحدى المركبات المقترحة لتنفيذ مهمة JDEM. يعد كالدويل ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في دارتموث ، أحد مؤسسي مفهوم الجوهر.
في ورقتهم البحثية في Physical Review Letters Linder يصف كالدويل سيناريوهين ، أحدهما يسمونه 'الذوبان' والآخر يسمونه 'التجميد' ، والذي يشير إلى مصائر مختلفة تمامًا لكوننا المتوسع بشكل دائم. في ظل سيناريو الذوبان ، سينخفض تسارع التمدد تدريجياً ويتوقف في النهاية ، مثل السيارة عندما يخفف السائق من دواسة الوقود. قد يستمر التمدد بشكل أبطأ ، أو قد يتراجع الكون. في ظل سيناريو التجميد ، يستمر التسارع إلى أجل غير مسمى ، مثل سيارة بدواسة البنزين مدفوعة إلى الأرض. سيصبح الكون منتشرًا بشكل متزايد ، حتى تجد مجرتنا نفسها في النهاية وحيدة في الفضاء.
يستبعد أي من هذين السيناريوهين الثابت الكوني لأينشتاين. أظهر ليندر وكالدويل في ورقتهم البحثية ، لأول مرة ، كيفية فصل فكرة أينشتاين بشكل واضح عن الاحتمالات الأخرى. ومع ذلك ، تحت أي سيناريو ، تعتبر الطاقة المظلمة قوة لا يستهان بها.
يقول ليندر ، 'لأن الطاقة المظلمة تشكل حوالي 70 بالمائة من محتوى الكون ، فهي تهيمن على محتوى المادة. وهذا يعني أن الطاقة المظلمة ستتحكم في التوسع وفي النهاية ستحدد مصير الكون '.
في عام 1998 ، هزت مجموعتان بحثيتان مجال علم الكونيات بإعلانهما المستقل عن تسارع توسع الكون. من خلال قياس الانزياح الأحمر للضوء من المستعرات الأعظمية من النوع Ia ، نجوم الفضاء السحيق التي تنفجر بطاقة مميزة ، قررت فرق من مشروع علم الكونيات المستعر الأعظم ومقره في Berkeley Lab وفريق البحث High-Z Supernova المتمركز في أستراليا أن توسع الكون في الواقع يتسارع ، لا يتباطأ. أطلق على القوة غير المعروفة وراء هذا التوسع المتسارع اسم 'الطاقة المظلمة'.
قبل اكتشاف الطاقة المظلمة ، اعتبرت الحكمة العلمية التقليدية أن الانفجار العظيم قد أدى إلى توسع الكون الذي من شأنه أن يتباطأ تدريجيًا بفعل الجاذبية. إذا وفر محتوى المادة في الكون ما يكفي من الجاذبية ، فسوف يتوقف التوسع تمامًا في يوم من الأيام وسيعود الكون إلى نفسه في أزمة كبيرة. إذا كانت الجاذبية الناتجة عن المادة غير كافية لإيقاف التوسع تمامًا ، فسيستمر الكون في الطفو بعيدًا إلى الأبد.
يقول كالدويل: 'من الإعلانات في عام 1998 والقياسات اللاحقة ، نعلم الآن أن التوسع المتسارع للكون لم يبدأ إلا في وقت ما خلال العشر مليارات سنة الماضية'.
يتدافع علماء الكونيات الآن لتحديد ماهية الطاقة المظلمة بالضبط. في عام 1917 ، عدل أينشتاين نظريته العامة للنسبية بثابت كوني ، والذي ، إذا كانت القيمة صحيحة ، سيسمح للكون بالوجود في حالة ثابتة ومتوازنة تمامًا. على الرغم من أن أشهر عالم فيزياء في التاريخ قد أطلق فيما بعد على إضافة هذا الثابت 'خطأ فادح' ، إلا أن اكتشاف الطاقة المظلمة أعاد إحياء الفكرة.
يقول ليندر: 'كان الثابت الكوني عبارة عن طاقة خاوية (طاقة الفضاء الفارغ) منعت الجاذبية من سحب الكون على نفسها'. تتمثل مشكلة الثابت الكوني في أنه ثابت ، وبنفس كثافة الطاقة والضغط ومعادلة الحالة بمرور الوقت. ومع ذلك ، يجب أن تكون الطاقة المظلمة ضئيلة في المراحل الأولى للكون ؛ وإلا لما تشكلت المجرات وكل نجومها '.
لكي ينتج عن ثابت آينشتاين الكوني الكون الذي نراه اليوم ، يجب أن يكون مقياس الطاقة أصغر بكثير من أي شيء آخر في الكون. يقول ليندر إنه في حين أن هذا قد يكون ممكنًا ، إلا أنه لا يبدو مرجحًا. أدخل مفهوم 'الجوهر' ، الذي سمي على اسم العنصر الخامس لليونانيين القدماء ، بالإضافة إلى الهواء والأرض والنار والماء ؛ لقد اعتقدوا أنها القوة التي أبقت القمر والنجوم في مكانها.
'Quintessence هو شكل ديناميكي ومتطور بمرور الوقت ومعتمد مكانيًا من الطاقة مع ضغط سلبي كافٍ لدفع التوسع المتسارع' ، كما يقول كالدويل. 'بينما الثابت الكوني هو شكل محدد جدًا من أشكال الطاقة؟ طاقة الفراغ؟ الجوهر يشمل فئة واسعة من الاحتمالات '.
للحد من احتمالات الجوهر وتوفير أهداف ثابتة للاختبارات الأساسية التي من شأنها أيضًا تأكيد ترشيحها كمصدر للطاقة المظلمة ، استخدم Linder و Caldwell مجالًا قياسيًا كنموذج لهما. يمتلك الحقل القياسي مقياسًا للقيمة ولكن ليس الاتجاه لجميع النقاط في الفضاء. باستخدام هذا النهج ، كان المؤلفون قادرين على إظهار الجوهر كحقل عددي يخفف طاقته الكامنة إلى أدنى قيمة. فكر في مجموعة من الينابيع تحت الشد والضغط السلبي الذي يقاوم الضغط الإيجابي للجاذبية.
قال ليندر: 'إن الحقل القياسي الجوهري يشبه حقلاً من الينابيع تغطي كل نقطة في الفضاء ، مع كل زنبرك ممتد بطول مختلف'. 'بالنسبة لثابت آينشتاين الكوني ، سيكون كل ربيع بنفس الطول وبلا حراك.'
في ظل سيناريو الذوبان الخاص بهم ، كانت الطاقة الكامنة لحقل الجوهر 'مجمدة' في مكانها حتى أطلقها تناقص كثافة المواد لكون متوسع تدريجيًا. في سيناريو التجميد ، كان مجال الجوهر يتدحرج نحو الحد الأدنى من إمكاناته منذ أن خضع الكون للتضخم ، ولكن عندما يتعلق الأمر بالسيطرة على الكون ، فإنه يصبح تدريجياً قيمة ثابتة.
اقتراح SNAP قيد البحث والتطوير بواسطة الفيزيائيين وعلماء الفلك والمهندسين في Berkeley Lab ، بالتعاون مع زملاء من جامعة كاليفورنيا في بيركلي والعديد من المؤسسات الأخرى ؛ إنه يستدعي تلسكوبًا عاكسًا بثلاث مرايا بطول مترين في مدار فضاء عميق يمكن استخدامه للعثور على وقياس الآلاف من المستعرات الأعظمية من النوع Ia كل عام. يجب أن توفر هذه القياسات معلومات كافية للإشارة بوضوح نحو سيناريو الذوبان أو التجميد؟ أو إلى شيء آخر جديد تمامًا وغير معروف.
يقول Linder ، 'إذا كانت نتائج القياسات مثل تلك التي يمكن إجراؤها باستخدام SNAP تقع خارج سيناريوهات الذوبان أو التجميد ، فقد يتعين علينا النظر إلى ما وراء الجوهر ، وربما حتى إلى الفيزياء الأكثر غرابة ، مثل تعديل نظرية أينشتاين العامة النسبية لتفسير الطاقة المظلمة. '
المصدر الأصلي: بيان صحفي بيركلي لاب