Kui tuled kustusid universumis

Tume energia ja gravitatsiooni illustratsioon

Astronoomid arvavad, et universumi paisumist reguleerivad nii raskusjõud kui ka salapärane tume energia. Selle kunstniku kontseptsioonis kujutab tumedat energiat ülalpool olev lilla võre ja gravitatsiooni all roheline võre. (Pildikrediit: NASA/JPL-Caltech)



Paul Sutter on astrofüüsik Ohio osariigi ülikool ja peamine teadlane kl COSI teaduskeskus . Sutter on ka saatejuht Küsige kosmonautilt , RealSpace ja COSI Science Now .



Umbes 5 miljardit aastat tagasi muutus kõik. Miljardeid aastaid järk -järgult aeglustunud universumi laienemine muutis kurssi ja jõudis ohjeldamatu kiirendusperioodi. (See oli omamoodi nagu auto, mis lülitub aeglustuselt kiirendamisele, kuid liigub siiski kogu aeg edasi.) Kiire ja tahtlik struktuuri moodustamise protsess-üha suuremate ainekogumite järkjärguline kogunemine galaktikatest rühmadesse ja klastriteks - tardus ja hakkas ennast lahti võtma.

Viis miljardit aastat tagasi ületas universumi salapärane jõud. Varjus peidus oli see uinunud, mattunud aine- ja kiirgusväljade alla. Kuid kui see end avastas, töötas see kiiresti, painutades kogu kosmose oma tahte järgi.



Viis miljardit aastat tagasi ärkas tume energia. [Universum: suur pauk 10 lihtsa sammuga]

Universumi sisikond

Selgitamaks, mis toimub selles liiga dramaatilises jutustuses tumeda energia tekkimisest, peame rääkima sellest, millest universum koosneb ja kuidas see mõjutab selle laienemist.

Alustame mantrast üldrelatiivsusteooria : mass ja energia ütlevad aegruumile, kuidas painutada, ja aegruumi painutamine ütleb objektidele, kuidas liikuda. Tavaliselt peame seda kohalikuks suhtluseks, mida kasutatakse teatud planeetide orbiitide või musta augu ebatavaliste omaduste selgitamiseks.



Kuid sama relatiivsusteooria - mis annab GPS -satelliitidele vajaliku täpsuse, et öelda, kui lähedal olete kohvikohvikule - on ühtlasi aluseks kogu universumi kasvule ja arengule. Ma mõtlen, et see on 'üldine' relatiivsusteooria.

Universum on valmistatud igasugustest asjadest ja selle omadused mõjutavad kogu kosmose üldist kumerust, mis mõjutab selle laienemist. See on relatiivsusteooria suur kiri: kogu universumi mass ja energia painutavad kogu universumi aegruumi, mis ütleb kogu universumile, kuidas liikuda.

Kui kogu materjali kogutihedus on suurem kui väga spetsiifiline väärtus - nn kriitiline tihedus - ja võrdub umbes 4 vesinikuaatomiga kuupmeetri kohta -, siis universumi paisumine aeglustub, peatub ja pöördub suure kriisi ajal tagasi. Kui universumi tihedus on sellest kriitilisest väärtusest väiksem, laieneb universum igaveseks. Ja kui see on täpselt võrdne kriitilise väärtusega, siis universum paisub igavesti, kuid üha väheneva kiirusega.



Mõõtmised näitavad, et me elame vastuolulises universumis, kus kogu tihedus võrdub täpselt kriitilise tihedusega - kuid universumi paisumine kiireneb endiselt, nagu oleks tihedus liiga väike.

Mis Hubble'i kummitusel toimub?

Tühi argument

See, mis toimub, on tume energia. Kokku 69,2 protsenti universumi energiatihedusest käitub see lihtsalt ... imelikult. Tume energia kõige olulisem omadus on see, et selle tihedus on konstantne. Selle tähtsuselt teine ​​omadus on see, et see näib olevat seotud tühja ruumi vaakumiga.

Võtke kast ja tühjendage kõik, eemaldades kõik ained (tavalised ja tumedad), neutriinod, kiirguse ... kõik. Kui tegite õigesti, on teil puhas, võltsimata vaakum - see tähendab, et teil on puhas tume energia. Kahekordne kasti suurus ja teil on kahekordne tume energia.

See käitumine on aine ja kiirguse käitumise täielik vastand. Kui teil on kast (või näiteks universum), kus on kindel kogus ainet ja te kahekordistate selle mahuti mahu, vähendatakse aine tihedust poole võrra. Kiirguse energiatihedus väheneb veelgi: mitte ainult universumi paisumine ei lahjenda kiirgust, vaid ka seda venitab oma lainepikkust .

Kuid universumi laienedes saame sellesse pidevalt rohkem tühja ruumi (vaakumit), seega saame pidevalt rohkem tumedat energiat. Kui olete mures, et see rikub mingisugust energia säästmise põhimõtet, võite täna õhtul rahulikult puhata: universum on dünaamiline süsteem ja füüsikas 101 õpetatud säilitusseaduste vorm kehtib ainult staatiliste süsteemide kohta. Universum on dünaamiline koht ja energia säästmise kontseptsioon kehtib endiselt, kuid seda keerukamal, mittepideval viisil. Aga see on artikkel üheks päevaks.

Teil võib samuti tekkida küsimus, kuidas ma saan nii enesekindlalt rääkida tumeda energia olemusest, sest me ei paista seda üldse mõistvat. Sul on õigus: me ei mõista tumedat energiat. Üleüldse. Me teame, et see on olemas, sest me jälgime otseselt universumi kiirendatud laienemist ja pool tosinat muud tõendusmaterjali viitavad selle olemasolule.

Ja kuigi me ei tea, mis kiirendatud laienemist tekitab, teame, et saame seda modelleerida kui ruumi vaakumi omadust, millel on konstantne tihedus, nii et see on praegu piisavalt hea.

Vaakum ja tühi koht

Asjaolu, et tumedal energial on pidev tihedus, tähendab seda, et kauges minevikus polnud sellel lihtsalt tähtsust - mateeria tõttu. Kogu universumi kraam oli kokku pandud väiksemaks, mis tähendab, et tavalisel ja tumedal ainel oli väga suur tihedus. See suur tihedus tähendas, et pikka aega aeglustus universumi paisumine.

Kuid kui laienemine jätkus, muutusid universumis olev aine ja kiirgus üha lahjemaks ning need muutusid üha vähem tihedaks. Lõpuks, umbes 5 miljardit aastat tagasi, langes aine tihedus alla tumeda energia, mis oli kogu selle aja püsinud. Ja kui tume energia võttis võimust, muutus mäng täielikult. Kuna selle tihedus on pidevalt püsiv, võrreldes laieneva aine tihedusega, laienemine mitte ainult ei jätkunud, vaid ka kiirenes. Ja see kiirenenud laienemine peatas struktuuride moodustumise protsessi: galaktikad sooviksid jätkuvalt üksteise külge liimida, et moodustada suuremaid struktuure, näiteks klastrid ja superparved , kuid vahepealne tühi ruum tõmbab need vääramatult teineteisest eemale.

Loomulikult jätkub mõningaid juhuslikke ühinemisi, kuid universumi suuremad struktuurid on juba ammu möödas.

Kosmiline kokkusattumus

Tume energia tekkimine jätab meile väikese mõistatuse. Kauges minevikus, kui ainetihedus oli kompaktses universumis uskumatult suur, polnud tume energia üldse oluline. Kaugemas tulevikus levib aine nii õhukeseks - nagu liiga vähe võid liiga palju leiba -, et selle tihedus on tumeda energiaga võrreldes naeruväärselt, lõbusalt ja haletsusväärselt väike.

Praegu elame vahepealsel ajastul, kus tume energia moodustab ligikaudu kolm neljandikku universumi kogu massienergiast ja tumeaine on umbes veerand (tavalist ainet on tühine kogus). See tundub natuke ... juhuslikult. Arvestades universumi suurt ajalugu, me lihtsalt juhuslikult jälgime seda pisikesel ajal, kui mateeria ja tume energia on kauplemiskohad.

Kas meil juhtus lihtsalt õnne? Kas tõusta teadvusse ja jälgida universumit, kus nii tumeaine kui ka tume energia on ligikaudu võrdse tugevusega? Või räägib universum meile midagi enamat? Võib -olla pole see üldse juhus. Võibolla tumeaine ja tume energia „räägivad” omavahel ja hoiavad tasakaalu loodusjõudude kaudu; jõud, mis maistes laborites lihtsalt ei avaldu. Võib -olla on nad omavahel seotud ja seotud.

Või äkki mitte. Me lihtsalt ei tea. Väljas on natuke liiga pime, et seda öelda.

Lisateavet saate jagu kuulates 'Millest universum koosneb?' podcastilt Ask A Spaceman, saadaval aadressil iTunes ja veebis aadressil http://www.askaspaceman.com . Täname Michael M., Peter B. ja DR1851 küsimuste eest, mis selle teoseni viisid! Esitage oma küsimus Twitteris, kasutades #AskASpaceman või Paulust @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter .

Järgne meile @Spacedotcom , Facebook ja Google+ . Algne artikkel teemal demokratija.eu .