Dunkle Energie

Im Physikalische Kosmologie und Astronomie, dunkle Energie ist eine unbekannte Form von Energie das betrifft die Universum Auf der größten Skalen. Der erste Beobachtungsnachweis für seine Existenz kam aus Messungen von Messungen von Supernovas, was zeigte, dass sich das Universum nicht mit konstanter Geschwindigkeit ausdehnt; Eher, die Expansion des Universums ist beschleunigen.[1][2] Das Verständnis der Entwicklung des Universums erfordert die Kenntnis seiner Startbedingungen und seiner Zusammensetzung. Vor diesen Beobachtungen glaubten Wissenschaftler, dass alle Formen von Materie und Energie im Universum nur dazu führen würden, dass die Expansion im Laufe der Zeit langsamer wird. Messungen der Kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) schlagen vor, dass das Universum in einem heißen begann Urknall, aus denen generelle Relativität erklärt seine Entwicklung und die anschließende große Bewegung. Ohne eine neue Energieform einzuführen, gab es keine Möglichkeit zu erklären, wie Wissenschaftler ein beschleunigendes Universum messen konnten. Seit den 1990er Jahren ist Dark Energy die am meisten anerkannte Prämisse für die beschleunigte Erweiterung. Ab 2021 gibt es aktiv Bereiche der kosmologischen Forschung die grundlegende Natur der dunklen Energie zu verstehen.[3] Angenommen, das Lambda-CDM-Modell der Kosmologie ist richtig,[4] Ab 2013 die Beste Strommessungen Geben Sie an, dass dunkle Energie im heutigen Tag 68% zur Gesamtenergie beiträgt Beobachtbares Universum. Die Massenenergie von Dunkle Materie und gewöhnlich (baryonisch) Angelegenheit trägt 26% bzw. 5% bzw. andere Komponenten bei, z. Neutrinos und Photonen einen sehr kleinen Betrag beitragen.[5][6][7][8] Die Dichte der Dunkelergie ist sehr niedrig (~g/cm3), viel weniger als die Dichte der gewöhnlichen Materie oder der dunklen Materie in Galaxien. Es dominiert jedoch den Massenergiegehalt des Universums, da er über den Raum einheitlich ist.[9][10][11]

Zwei vorgeschlagene Formen der dunklen Energie sind die Kosmologische Konstante[12][13] (Darstellung einer konstanten Energiedichte, die Raum homogen füllen) und Skalarfelder - wie zum Beispiel Quintessenz oder Modul - (dynamische Mengen mit Energiedichten, die zeitlich und räumlich variieren). Beiträge aus skalaren Feldern, die im Raum konstant sind, sind normalerweise auch in der kosmologischen Konstante enthalten. Die kosmologische Konstante kann formuliert werden, um dem gleichwertig zu sein Nullpunktstrahlung des Raums, d. h. die Vakuumenergie.[14] Skalare Felder, dass sich die Veränderung des Raums ändern kann, kann jedoch schwer von einer kosmologischen Konstante zu unterscheiden, da die Veränderung verlängert werden kann.

Aufgrund der Spielzeugmodell die Natur von Konkordanz Kosmologie, glauben einige Experten[15] das genauer Allgemein relativistisch Behandlung der Strukturen auf allen Skalen[16] Im realen Universum kann es die Notwendigkeit beseitigen, dunkle Energie aufzurufen. Inhomogene Kosmologien, die versuchen, die zu erklären Rückreaktion von Strukturbildung auf der metrischerkennen im Allgemeinen keinen Beitrag für dunkle Energie zur Energiedichte des Universums an.

Entdeckungsgeschichte und frühere Spekulationen

Einsteins kosmologische Konstante

Das "Kosmologische Konstante"Ist ein konstanter Begriff, der hinzugefügt werden kann Einsteins Feldgleichung von generelle Relativität. Wenn er in der Feldgleichung als "Quellbegriff" angesehen wird, kann er als äquivalent zur Masse des leeren Raums (die konzeptionell entweder positiv oder negativ sein kann) oder "oder negativ) oder" angesehen werden "oder" oder negativ) oder "oder" oder "oder" oder negativ) oder "oder" oder "oder" oder "oder negativ) oder" oder "oder" oder "oder" oder "oder" oder negativ) oder "äquivalent)."Vakuumenergie".

Die kosmologische Konstante wurde zuerst durch vorgeschlagen von Einstein als Mechanismus, um eine Lösung für die Gravitation zu erhalten Feldgleichung Dies würde zu einem statischen Universum führen, der dunkle Energie effektiv einsetzt, um die Schwerkraft auszugleichen.[17] Einstein gab die kosmologische Konstante das Symbol λ (Kapital Lambda). Einstein gab an, dass die kosmologische Konstante erforderlich war, dass der leere Raum die Rolle des Schwerpunkts übernimmt Negative Massen die überall auf dem interstellaren Raum verteilt werden '.[18][19]

Der Mechanismus war ein Beispiel für Feinabstimmungund später wurde erkannt, dass Einsteins statisches Universum nicht stabil sein würde: Lokale Inhomogenitäten würden letztendlich entweder zu der außer Kontrolle geratenen Expansion oder zur Kontraktion des Universums führen. Das Gleichgewicht ist instabil: Wenn sich das Universum geringfügig ausdehnt, setzt die Expansion Vakuumenergie frei, was noch mehr Expansion verursacht. Ebenso wird ein Universum, das sich leicht zusammenzieht, weiter zusammengearbeitet. Diese Art von Störungen sind aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Materie im gesamten Universum unvermeidlich. Ferner Beobachtungen von Edwin Hubble 1929 zeigte sich das Universum, dass es sich anscheinend expandieren und überhaupt nicht statisch hat. Einstein bezeichnete Berichten zufolge sein Versagen, die Idee eines dynamischen Universums im Gegensatz zu einem statischen Universum als seinen größten Fehler vorherzusagen.[20]

Inflationäre dunkle Energie

Alan Guth und Alexei Starobinsky Vorgeschlagen 1980, dass ein Unterdruckfeld, das im Konzept wie dunkle Energie ähnlich ist, fahren könnte kosmische Inflation im sehr frühen Universum. Die Inflation postuliert, dass eine abstoßende Kraft, die qualitativ ähnlich wie dunkle Energie ähnelt, zu einer enormen und exponentiellen Expansion des Universums leichte nach dem führte Urknall. Eine solche Expansion ist ein wesentliches Merkmal der meisten aktuellen Modelle des Urknalls. Die Inflation muss jedoch bei einer viel höheren Energiedichte aufgetreten sein als die dunkle Energie, die wir heute beobachten, und es wird angenommen, dass es vollständig beendet ist, als das Universum nur ein Bruchteil eines zweiten alten war. Es ist unklar, welche Beziehung zwischen dunkler Energie und Inflation besteht. Selbst nachdem Inflationsmodelle akzeptiert wurden, wurde angenommen, dass die kosmologische Konstante für das gegenwärtige Universum irrelevant ist.

Fast alle Inflationsmodelle sagen voraus, dass die Gesamtdichte des Universums (Materie+Energie) des Universums sehr nahe stehen sollte Kritische Dichte. In den 1980er Jahren konzentrierten sich die meisten kosmologischen Forschungen nur auf Modelle mit kritischer Dichte in der Materie, normalerweise 95% kalte dunkle Materie (CDM) und 5% gewöhnliche Materie (Baryons). Diese Modelle waren erfolgreich darin, realistische Galaxien und Cluster zu bilden, aber einige Probleme traten in den späten 1980er Jahren auf: Insbesondere das Modell erforderte einen Wert für die Hubble -Konstante niedriger als durch Beobachtungen bevorzugt, und die unterprobierten Beobachtungen des groß angelegten Galaxienclusters. Diese Schwierigkeiten wurden nach der Entdeckung von stärker Anisotropie in dem CMB bis zum COBE Raumschiff im Jahr 1992 und mehrere modifizierte CDM-Modelle wurden bis Mitte der neunziger Jahre aktive Studie: Dazu gehörten die Lambda-CDM-Modell und ein Modell mit gemischtem kaltem/heißen Dunkle Materie. Der erste direkte Beweis für dunkle Energie kamen aus Supernova -Beobachtungen von 1998 von 1998 von Beschleunigte Expansion in Riess et al.[21] und in Perlmutter et al.,[22] und das Lambda-CDM-Modell wurde dann zum führenden Modell. Bald darauf wurde Dark Energy durch unabhängige Beobachtungen gestützt: im Jahr 2000, die Boomerang und Maxima CMB Experimente beobachteten die ersten Akustischer Peak In der CMB, die zeigt, dass die Gesamtdichte (Materie+Energie) nahezu 100% der kritischen Dichte liegt. Dann im Jahr 2001 die 2DF Galaxy Redshift Survey gab starke Beweise dafür, dass die Materiedichte rund 30% von kritisch beträgt. Der große Unterschied zwischen diesen beiden unterstützt eine glatte Komponente der dunklen Energie, die den Unterschied ausmacht. Viel genauere Messungen von WMAP 2003–2010 unterstützt das Standardmodell weiterhin und lieferte genauere Messungen der Schlüsselparameter.

Der Begriff "dunkle Energie", wiederholt sich Fritz Zwicky's "dunkle Materie" aus den 1930er Jahren wurde von geprägt von Michael Turner In 1998.[23]

Änderung der Expansion im Laufe der Zeit

Diagramm, das die beschleunigte Expansion des Universums aufgrund dunkler Energie darstellt.

Hochvorbereitungsmessungen der Erweiterung des Universums sind erforderlich, um zu verstehen, wie sich die Expansionsrate im Laufe der Zeit und des Raums ändert. Im Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Entwicklung der Expansionsrate aus dem geschätzt Krümmung des Universums und das kosmologische Staatsgleichung (Die Beziehung zwischen Temperatur, Druck und kombinierter Materie, Energie und Vakuumergiedichte für jeden Raumbereich). Die Messung der Zustandsgleichung für dunkle Energie ist eine der größten Bemühungen in der heutigen Beobachtungskosmologie. Hinzufügen der kosmologischen Konstante zum Standard der Kosmologie Flrw Metrik führt zum Lambda-CDM-Modell, das als das bezeichnet wurde "Standardmodell der Kosmologie"Aufgrund seiner genauen Übereinstimmung mit Beobachtungen.

Ab 2013 stimmt das Lambda-CDM-Modell mit einer Reihe immer strengerer kosmologischer Beobachtungen überein, einschließlich der Planck -Raumschiff und die Supernova -Legacy -Umfrage. Die ersten Ergebnisse der SNLs zeigen, dass sich das durchschnittliche Verhalten (d. H. Zustandsgleichung) der dunklen Energie wie Einsteins kosmologische Konstante bis zu einer Präzision von 10%verhält.[24] Jüngste Ergebnisse des Hubble-Weltraumteleskops mit höherem Z-Team zeigen, dass dunkle Energie seit mindestens 9 Milliarden Jahren und während des Zeitraums vor der kosmischen Beschleunigung vorhanden ist.

Natur

Die Natur der dunklen Energie ist hypothetischer als die der dunklen Materie, und viele Dinge daran bleiben im Bereich der Spekulation.[25] Dunkle Energie wird als sehr homogen und nicht sehr angesehen dichtund ist nicht bekannt, dass sie durch eines der von der interagieren Grundkräfte außer Schwere. Da ist es ziemlich selten und unmassiv-rund 10–27kg/m3- Es ist unwahrscheinlich, dass es in Laborversuchen nachweisbar ist. Der Grund, warum dunkle Energie einen so tiefgreifenden Einfluss auf das Universum haben kann, das 68% der universellen Dichte ausgeht, obwohl es so verdünnt ist, besteht darin, dass sie einen ansonsten leeren Raum gleichmäßig füllt.

Unabhängig von ihrer tatsächlichen Natur müsste dunkle Energie einen starken Unterdruck haben, um die Beobachteten zu erklären Beschleunigung des Erweiterung des Universums. Nach allgemeiner Relativitätstheorie trägt der Druck innerhalb einer Substanz zu seiner Gravitationsanziehung für andere Objekte wie seine Massendichte bei. Dies geschieht, weil die physikalische Menge, die Materie bewirkt, Gravitationseffekte zu erzeugen Stress -Energie -Tensor, die sowohl die Energiedichte einer Substanz als auch den Druck enthält. In dem Friedmann -Lemaître -Robertson -Walker -MetrikEs kann gezeigt werden, dass ein starker konstanter Unterdruck (starker konstanter Unterdruck (d.h. Spannung) in allen Universum verursacht eine Beschleunigung der Expansion, wenn sich das Universum bereits ausdehnt, oder zu einer Verzögerung der Kontraktion, wenn sich das Universum bereits zusammenzieht. Dieser beschleunigende Expansionseffekt wird manchmal als "Gravitationsabstoßung" bezeichnet.

Technische Definition

In der Standardkosmologie gibt es drei Komponenten des Universums: Materie, Strahlung und dunkle Energie. Materie ist alles, dessen Energiedichte mit dem inversen Würfel des Skalierungsfaktors, d. H. ρa–3, während Strahlung alles ist, was auf die inverse vierte Leistung des Skalierungsfaktors skaliert wird (ρa–4). Dies kann intuitiv verstanden werden: Für ein gewöhnliches Teilchen in einer Würfelform verringert sich die Verdoppelung der Länge eines Randes der Box die Dichte (und damit die Energiedichte) um einen Faktor von acht (2)3). Bei der Strahlung ist die Abnahme der Energiedichte größer, da eine Erhöhung des räumlichen Abstands auch eine Rotverschiebung verursacht.[26]

Die endgültige Komponente ist dunkle Energie: Sie ist eine intrinsische Eigenschaft des Weltraums und hat eine konstante Energiedichte, unabhängig von den Dimensionen des betrachteten Volumens (betrachtete Bandρa0). Im Gegensatz zu gewöhnlicher Materie wird es daher nicht durch die Ausdehnung des Raums verwässert.

Beweis der Existenz

Die Beweise für dunkle Energie sind indirekt, stammen jedoch aus drei unabhängigen Quellen:

  • Entfernungsmessungen und ihre Beziehung zu Rotverschiebung, die darauf hindeuten, dass das Universum in der zweiten Hälfte seines Lebens stärker erweitert wurde.[27]
  • Das theoretische Bedürfnis nach einer Art zusätzlicher Energie, die keine Materie oder dunkle Materie ist, um die zu bilden Beobachtend flaches Universum (Fehlen einer nachweisbaren globalen Krümmung).
  • Messungen groß angelegter Wellenmuster der Massendichte im Universum.

Supernovae

Ein Typ Ia Supernova (Lichtblick auf der unteren linken Links) in der Nähe einer Galaxie

Im Jahr 1998 die High-Z-Supernova-Suchteam[21] veröffentlichte Beobachtungen von Typ IA ("Ein-A") Supernovae. Im Jahr 1999 die Supernova Cosmology Project[22] gefolgt von vorschlägt, dass die Expansion des Universums ist beschleunigen.[28] Das 2011 Nobelpreis für Physik wurde vergeben an Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt, und Adam G. Riess für ihre Führung in der Entdeckung.[29][30]

Seitdem wurden diese Beobachtungen durch mehrere unabhängige Quellen bestätigt. Messungen der Kosmischer Mikrowellenhintergrund, Gravitationslinsen, und die Großstruktur des Kosmossowie verbesserte Messungen von Supernovae stimmen mit dem Lambda-CDM-Modell überein.[31] Einige Menschen argumentieren, dass die einzigen Indikationen für die Existenz dunkler Energie Beobachtungen von Entfernungsmessungen und ihre damit verbundenen Rotverschiebungen sind. Kosmische Mikrowellen -Hintergrundanisotropien und Baryon akustische Oszillationen zeigen nur, dass die Entfernungen zu einer bestimmten Rotverschiebung größer sind als von einem "staubigen" Friedmann -Lemaître -Universum und der lokalen gemessenen Hubble -Konstante erwartet würden.[32]

Supernovae sind nützlich für die Kosmologie, weil sie ausgezeichnet sind Standardkerzen über kosmologische Entfernungen. Sie ermöglichen es den Forschern, die Expansionsgeschichte des Universums zu messen, indem sie die Beziehung zwischen der Entfernung zu einem Objekt und seinem betrachten Rotverschiebung, was gibt, wie schnell es von uns zurückgeht. Die Beziehung ist ungefähr linear, lautet Hubble's Gesetz. Es ist relativ einfach, Rotverschiebung zu messen, aber es ist schwieriger, den Abstand zu einem Objekt zu finden. Normalerweise verwenden Astronomen Standardkerzen: Objekte, für die die intrinsische Helligkeit oder die intrinsische Helligkeit oder Absolute Größe, ist bekannt. Dadurch kann der Abstand des Objekts an seiner tatsächlichen beobachteten Helligkeit gemessen werden, oder scheinbare Größe. Typ-IA-Supernovae sind die bekanntesten Standardkerzen über kosmologische Entfernungen hinweg aufgrund ihrer extremen und konsistenten Helligkeit.

Jüngste Beobachtungen von Supernovae stimmen mit einem Universum überein, das 71,3% der dunklen Energie und 27,4% einer Kombination von entspricht Dunkle Materie und Baryonische Materie.[33]

Kosmischer Mikrowellenhintergrund

Geschätzte Aufteilung der Gesamtenergie im Universum in Materie, dunkle Materie und dunkle Energie basierend auf fünf Jahren WMAP -Daten.[34]

Die Existenz von dunkler Energie in welcher Form ist auch immer erforderlich, um die gemessene Geometrie des Raums mit der Gesamtmenge der Materie im Universum in Einklang zu bringen. Messungen von Kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB) Anisotropien Geben Sie an, dass das Universum nahe steht eben. Für die Form des Universums Um flach zu sein, muss die Massen -Energie -Dichte des Universums gleich dem sein Kritische Dichte. Die Gesamtmenge der Materie im Universum (einschließlich Baryonen und Dunkle Materie), gemessen aus dem CMB -Spektrum, nur etwa 30% der kritischen Dichte ausmacht. Dies impliziert die Existenz einer zusätzlichen Energieform, um die verbleibenden 70%zu berücksichtigen.[31] Das Wilkinson -Mikrowellenanisotropie -Sonde (WMAP) Raumschiff Siebenjährige Analyse Schätzungsweise ein Universum aus 72,8% dunkler Energie, 22,7% dunkle Materie und 4,5% gewöhnliche Materie.[7] Arbeiten im Jahr 2013 basierend auf dem Planck -Raumschiff Die Beobachtungen des CMB ergab eine genauere Schätzung von 68,3% dunkler Energie, 26,8% dunkle Materie und 4,9% gewöhnliche Materie.[35]

Große Struktur

Die Theorie von Große Struktur, was die Bildung von Strukturen im Universum regelt (Sterne, Quasare, Galaxien und Galaxiengruppen und Cluster), ebenfalls nahe, dass die Dichte der Materie im Universum nur 30% der kritischen Dichte beträgt.

Eine Umfrage von 2011, die Wigglez Galaxy Survey unter mehr als 200.000 Galaxien, lieferte weitere Beweise für die Existenz dunkler Energie, obwohl die genaue Physik dahinter weiterhin unbekannt ist.[36][37] Die Wigglez -Umfrage aus der Australisches astronomisches Observatorium scannte die Galaxien, um ihre Rotverschiebung zu bestimmen. Dann, indem man die Tatsache ausnutzt, dass Baryon akustische Oszillationen verlassen haben Hohlräume regelmäßig mit einem Durchmesser von ~ 150 mpc, von den Galaxien umgeben, wurden als Standardlineer verwendet, um Entfernungen zu Galaxien bis zu 2.000 MPC (Rotverschiebung 0,6) abzuschätzen, was eine genaue Schätzung der Galaxiengeschwindigkeiten von ihrer Rötung und Entfernung ermöglicht. Die Daten bestätigt Kosmische Beschleunigung Bis zu der Hälfte des Alters des Universums (7 Milliarden Jahre) und seine Inhomogenität auf einen Teil in 10 einschränken.[37] Dies bietet eine Bestätigung für die kosmische Beschleunigung unabhängig von Supernovae.

Spätzeit integrierte Sachs-Wolfe-Effekt

Beschleunigte kosmische Expansionsursachen Gravitationspotentialbrunnen und Hügel zu flach als Photonen Gehen Sie durch sie und produzieren Sie kalte Stellen und Hotspots auf dem CMB, das mit riesigen Supervoiden und Superclustern ausgerichtet ist. Diese sogenannte Spätzeit Integrierter Sachs -Wolfe -Effekt (ISW) ist ein direktes Signal der dunklen Energie in einem flachen Universum.[38] Es wurde 2008 von HO bei hoher Signifikanz berichtet et al.[39] und Giannantonio et al.[40]

Beobachtende Hubble Konstante Daten

Ein neuer Ansatz zum Testen von Nachweisen für dunkle Energie durch Beobachtung Hubble -Konstante Daten (OHD), auch als kosmische Chronometer bekannt, haben in den letzten Jahren erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen.[41][42][43][44]

Die Hubble -Konstante, H(z), wird als Funktion von kosmologisch gemessen Rotverschiebung. OHD verfolgt direkt die Expansionsgeschichte des Universums, indem sie sich passiv als "kosmische Chronometer" entwickeln.[45] Ab diesem Zeitpunkt bietet dieser Ansatz Standarduhren im Universum. Der Kern dieser Idee ist die Messung der Differentialalterentwicklung als Funktion der Rotverschiebung dieser kosmischen Chronometer. Somit liefert es eine direkte Schätzung des Hubble -Parameters

Das Vertrauen in eine unterschiedliche Menge, Δz/Δt, bringt mehr Informationen mit und ist ansprechend für die Berechnung: Es kann viele häufige Probleme und systematische Auswirkungen minimieren. Analysen von Supernovae und Baryon akustische Oszillationen (BAO) basieren auf Integralen des Hubble -Parameters, während Δz/Δt misst es direkt. Aus diesen Gründen wurde diese Methode häufig verwendet, um die beschleunigte kosmische Expansions- und Untersuchungseigenschaften der dunklen Energie zu untersuchen.

Theorien der dunklen Energie

Der Status von Dark Energy als hypothetische Kraft mit unbekannten Eigenschaften macht es ein sehr aktives Ziel der Forschung. Das Problem wird aus einer Vielzahl von Blickwinkeln angegriffen, wie z.

Die Gleichung des Zustands der dunklen Energie für 4 gemeinsame Modelle durch Rotverschiebung.[46]
A: CPL -Modell,
B: Jassal -Modell,
C: Barboza & Alcaniz -Modell,
D: Wetterich -Modell

Kosmologische Konstante

Geschätzte Verteilung von Angelegenheit und Energie im Universum[47]

Die einfachste Erklärung für dunkle Energie ist, dass es sich um eine intrinsische, grundlegende Energie des Weltraums handelt. Dies ist die kosmologische Konstante, die normalerweise durch den griechischen Buchstaben dargestellt wird Λ (Lambda, daher Lambda-CDM-Modell). Da Energie und Masse nach der Gleichung zusammenhängen E = MC2 , Einsteins Theorie von generelle Relativität sagt voraus, dass diese Energie einen Gravitationseffekt haben wird. Es wird manchmal als a genannt Vakuumenergie Weil es die Energiedichte des leeren Raums ist - die Vakuum.

Ein großes herausragendes Problem ist das das gleiche Quantenfeldtheorien Vorhersage eine große Kosmologische Konstanteca. 120Größenordnungen zu groß. Dies müsste fast, aber nicht genau durch eine ebenso große Begriff des entgegengesetzten Vorzeichens abgebrochen werden.[13]

Etwas Supersymmetrisch Theorien erfordern eine kosmologische Konstante, die genau Null ist.[48] Außerdem ist es nicht bekannt, ob es einen metastabilen Vakuumzustand in gibt Stringtheorie mit einer positiven kosmologischen Konstante,[49] und es wurde von Ulf Danielsson vermutet et al. Dass kein solcher Staat existiert.[50] Diese Vermutung würde andere Modelle der dunklen Energie, wie z. B. Quintessenz, nicht ausschließen, die mit der String -Theorie vereinbar sein könnten.[49]

Quintessenz

Im Quintessenz Modelle der dunklen Energie, die beobachtete Beschleunigung des Skalierungsfaktors wird durch die potentielle Energie einer Dynamik verursacht aufstellen, als Quintessence -Feld bezeichnet. Quintessenz unterscheidet sich von der kosmologischen Konstante insofern, als sie in Raum und Zeit variieren kann. Damit es sich nicht zusammenklumpen und formen kann Struktur Wie Materie muss das Feld sehr leicht sein, so dass es eine große hat Compton Wellenlänge. In den einfachsten Szenarien hat das Quintessence -Feld einen kanonischen kinetischen Begriff, ist minimal mit der Schwerkraft gekoppelt und verfügt über keine Operationen höherer Ordnung in seinem Lagrange.

Noch keine Beweise für Quintessenz sind verfügbar, aber es wurde auch nicht ausgeschlossen. Es prognostiziert im Allgemeinen eine etwas langsamere Beschleunigung der Expansion des Universums als die kosmologische Konstante. Einige Wissenschaftler glauben, dass die besten Beweise für Quintessenz aus Verstößen gegen Einstein von entstehen würden Äquivalenzprinzip und Variation der grundlegenden Konstanten in Raum oder Zeit.[51] Skalarfelder werden von der vorhergesagt Standardmodell der Teilchenphysik und Stringtheorie, aber ein analoges Problem zum kosmologischen konstanten Problem (oder das Problem der Konstruktion von Modellen von Kosmologische Inflation) tritt ein: Renormalisierung Theorie sagt voraus, dass Skalarfelder große Massen erwerben sollten.

Das Zufallsproblem fragt, warum die Beschleunigung vom Universum begann, als es tat. Wenn die Beschleunigung früher im Universum begann, Strukturen wie Galaxien Hätte nie Zeit gehabt zu formen, und das Leben, zumindest wie wir es wissen, hätte es nie eine Chance gehabt zu existieren. Befürworter der Anthropische Prinzip Betrachten Sie dies als Unterstützung für ihre Argumente. Viele Quintessenzmodelle haben jedoch ein sogenanntes "Tracker" -Vorverhalten, was dieses Problem löst. In diesen Modellen hat das Quintessence -Feld eine Dichte, die die Strahlungsdichte bis zur Strahlungsdichte genau verfolgt (aber weniger als). Materie -Strahlungsgleichheit, was die Quintessenz auslöst, sich als dunkle Energie zu verhalten und schließlich das Universum zu dominieren. Dies setzt natürlich den niedrigen Energiemala der dunklen Energie.[52][53]

Als Wissenschaftler 2004 die Entwicklung der dunklen Energie mit den kosmologischen Daten anpassten, stellten sie fest, dass die Zustandsgleichung möglicherweise die kosmologische konstante Grenze (w = –1) von oben nach unten überschritten hatte. EIN No-Go-Theorem wurde bewiesen, dass dieses Szenario Modelle mit mindestens zwei Arten von Quintessenz erfordert. Dieses Szenario ist das sogenannte Quintom -Szenario.[54]

Einige besondere Fälle von Quintessenz sind Phantomenergie, in der die Energiedichte der Quintessenz tatsächlich mit der Zeit nimmt, und k-esz (kurz für kinetische Quintessenz), die eine nicht standardmäßige Form von hat kinetische Energie so wie ein negative kinetische Energie.[55] Sie können ungewöhnliche Eigenschaften haben: Phantomenergiekann zum Beispiel a führen Big Rip.

Eine Gruppe von Forschern argumentierte 2021, dass Beobachtungen der Hubble -Spannung kann bedeuten, dass nur Quintessenzmodelle mit einem ungleich Null modelliert werden Kopplungskonstante sind lebensfähig.[56]

Dunkle Energie interagieren

Diese Klasse von Theorien versucht, eine allumfassende Theorie sowohl der dunklen Materie als auch der dunklen Energie als einzelnes Phänomen zu entwickeln, das die Schwerpunkte in verschiedenen Maßstäben verändert. Dies könnte zum Beispiel dunkle Energie und dunkle Materie als unterschiedliche Facetten derselben unbekannten Substanz behandeln.[57] Oder postulieren Sie, dass kalte dunkle Materie in dunkle Energie abfällt.[58] Eine andere Klasse von Theorien, die dunkle Materie und dunkle Energie vereinen, wird vermutet, dass sie kovariante Theorien modifizierter Gravities sind. Diese Theorien verändern die Dynamik der Raumzeit so, dass die modifizierte Dynamik zu dem entspricht, was dem Vorhandensein von dunkler Energie und dunkler Materie zugewiesen wurde.[59] Dunkle Energie könnte im Prinzip nicht nur mit dem Rest des dunklen Sektors, sondern auch mit gewöhnlicher Materie interagieren. Die Kosmologie allein reicht jedoch nicht aus, um die Stärke der Kopplung zwischen dunkler Energie und Baryonen wirksam zu beschränken, sodass andere indirekte Techniken oder Laborsuchungen angewendet werden müssen.[60] Ein aktueller Vorschlag spekuliert, dass der derzeit ungeklärte Überschuss in der Xenon1t Der Detektor in Italien könnte durch a verursacht worden sein Chamäleon Modell der dunklen Energie.[61][62]

Variable dunkle Energiemodelle

Die Dichte der dunklen Energie hätte sich während der Geschichte des Universums zeitlich variieren können. Moderne Beobachtungsdaten ermöglichen es uns, die gegenwärtige Dichte der dunklen Energie abzuschätzen. Verwendung Baryon akustische OszillationenEs ist möglich, die Wirkung der dunklen Energie auf die Geschichte des Universums zu untersuchen und Parameter der Staatsgleichung von dunkler Energie. Zu diesem Zweck wurden mehrere Modelle vorgeschlagen. Eines der beliebtesten Modelle ist das Chevallier -Polarski -Linder -Modell (CPL).[63][64] Einige andere gängige Modelle sind (Barboza & Alcaniz. 2008),[65] (Jassal et al. 2005),[66] (Wetterich. 2004),[67] (Oztas et al. 2018).[68][69]

Beobachtungsskepsis

Einige Alternativen zu dunkler Energie, wie z. Inhomogene KosmologieZiel, die Beobachtungsdaten durch eine raffiniertere Verwendung etablierter Theorien zu erklären. In diesem Szenario gibt es keine dunkle Energie und ist lediglich ein Messartefakt. Wenn wir uns beispielsweise in einer ildanischen Raumregion des Raums befinden, könnte die beobachtete kosmische Expansionsrate für eine zeitliche oder beschleunigte Abweichung verwechselt werden.[70][71][72][73] Ein anderer Ansatz verwendet eine kosmologische Erweiterung der Äquivalenzprinzip Um zu zeigen, wie der Raum in den Hohlräumen, die unseren lokalen Cluster umgeben, schneller zu erweitern scheint. Obwohl schwach, könnten solche Effekte über Milliarden Jahre kumulativ betrachtet werden, die erheblich werden, was die Illusion der kosmischen Beschleunigung hervorruft und es so erscheinen lässt, als ob wir in einem leben würden Hubble Blase.[74][75][76] Andere Möglichkeiten bestehen darin, dass die beschleunigte Expansion des Universums eine Illusion ist, die durch die relative Bewegung von uns auf den Rest des Universums verursacht wird.[77][78] oder dass die verwendeten statistischen Methoden fehlerhaft waren.[79][80] Es wurde auch vermutet, dass die Anisotropie des lokalen Universums als dunkle Energie falsch dargestellt wurde. Diese Behauptung wurde schnell von anderen entgegengesetzt, einschließlich eines Papiers von Physikern D. Rubin und J. Heitlauf.[81] Ein direkter Erkennungsversuch konnte keine mit dunklen Energie verbundenen Kraft feststellen.[82]

Eine im Jahr 2020 veröffentlichte Studie stellte die Gültigkeit der wesentlichen Annahme in Frage, dass die Leuchtkraft der Supernovae vom Typ Ia nicht mit dem Alter der Sternpopulation variiert, und legt nahe, dass es möglicherweise nicht tatsächlich dunkle Energie gibt. Hauptforscher der neuen Studie, Young-Wook Lee von Yonsei Universität, sagte: "Unser Ergebnis zeigt diese dunkle Energie von SN Kosmologie, was zum 2011 Nobelpreis für Physikkönnte ein Artefakt einer fragilen und falschen Annahme sein. "[83][84] Mehrere Probleme mit diesem Papier wurden von anderen Kosmologen aufgeworfen, einschließlich Adam Riess,[85] der 2011 den Nobelpreis für die Entdeckung dunkler Energie gewann.

Andere Mechanismus, die die Beschleunigung des Mechanismus treibt

Modifizierte Schwerkraft

Der Beweis für dunkle Energie hängt stark von der Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie ab. Daher ist es denkbar, dass a Änderung der allgemeinen Relativitätstheorie eliminiert auch die Notwendigkeit dunkler Energie. Es gibt sehr viele solcher Theorien, und die Forschung ist noch nicht abgeschlossen.[86][87] Die Messung der Schwerkraft in der ersten Gravitationswelle, gemessen mit nicht gravitativen Mitteln (GW170817) schloss viele modifizierte Gravitationstheorien als Erklärungen für dunkle Energie aus.[88][89][90]

Astrophysiker Ethan Siegel erklärt, dass solche Alternativen zwar eine Menge Mainstream -Presseberichterstattung erhalten, fast alle professionellen Astrophysiker zuversichtlich sind, dass dunkle Energie existiert und dass keine der konkurrierenden Theorien die Beobachtungen erfolgreich auf das gleiche Präzisionsniveau wie Standard -dunkle Energie erklärt.[91]

Implikationen für das Schicksal des Universums

Kosmologen schätzen, dass die Beschleunigung begann vor ungefähr 5 Milliarden Jahren.[92][a] Zuvor wird vermutet, dass die Expansion aufgrund des attraktiven Einflusses der Materie abbremdend war. Die Dichte der dunklen Materie in einem expandierenden Universum nimmt schneller ab als dunkle Energie, und schließlich dominiert die dunkle Energie. Insbesondere wenn sich das Volumen des Universums verdoppelt, die Dichte von Dunkle Materie ist halbiert, aber die Dichte der dunklen Energie ist nahezu unverändert (es ist genau konstant im Fall einer kosmologischen Konstante).

Projektionen in die Zukunft können sich für verschiedene Modelle dunkler Energie radikal unterscheiden. Für eine kosmologische Konstante oder ein anderes Modell, das vorhersagt, dass die Beschleunigung auf unbestimmte Zeit fortgesetzt wird, wird das ultimative Ergebnis sein, dass Galaxien außerhalb der Lokale Gruppe wird a haben Sichtgeschwindigkeit Das nimmt mit der Zeit kontinuierlich zu und überschreitet schließlich weit über die Lichtgeschwindigkeit.[93] Dies ist keine Verletzung von Spezielle Relativität Weil der hier verwendete Begriff der "Geschwindigkeit" sich von der der Geschwindigkeit in einem lokalen Unterschied unterscheidet Trägheitsreferenzrahmen, was immer noch als weniger Lichtgeschwindigkeit für jedes massive Objekt beschränkt ist (siehe Verwendung der richtigen Entfernung für eine Diskussion der Feinheiten der Definition eines Begriffs der relativen Geschwindigkeit in der Kosmologie). Weil die Hubble -Parameter Mit der Zeit verringert sich tatsächlich Fälle, in denen eine Galaxie, die schneller von uns zurückgeht, als Licht, ein Signal auszugeben, das uns letztendlich erreicht.[94][95]

Aufgrund der beschleunigenden Expansion wird jedoch prognostiziert, dass die meisten Galaxien letztendlich eine Art kosmologischer Art überschreiten werden Ereignishorizont Wo ein Licht, das sie über diesen Punkt hinweg ausstrahlen[96] Weil das Licht niemals einen Punkt erreicht Verwendung der richtigen Entfernung). Angenommen, die dunkle Energie ist konstant (a Kosmologische Konstante) Die derzeitige Entfernung zu diesem kosmologischen Ereignishorizont beträgt etwa 16 Milliarden Lichtjahre, was bedeutet, dass ein Signal eines Ereignisses stattfindet momentan Wäre in Zukunft in der Lage, uns in Zukunft zu erreichen, wenn das Ereignis weniger als 16 Milliarden Lichtjahre entfernt wäre, aber das Signal würde uns niemals erreichen, wenn das Ereignis mehr als 16 Milliarden Lichtjahre entfernt wäre.[95]

Wenn Galaxien den Punkt des Überschreitens dieses kosmologischen Ereignishorizonts nähern, wird das Licht von ihnen immer mehr rotverschoben, bis zu dem Punkt, an dem die Wellenlänge zu groß wird, um in der Praxis zu erkennen, und die Galaxien scheinen vollständig zu verschwinden[97][98] (sehen Zukunft eines expandierenden Universums). Planet Erde, die Milchstraßeund die lokale Gruppe, zu der die Milchstraße gehört, würde alle praktisch ungestört bleiben, wenn der Rest des Universums zurückgeht und aus dem Blickfeld verschwindet. In diesem Szenario würde die lokale Gruppe letztendlich leiden Wärmetodgenauso wie für das flache, materielle Universum vor den Messungen von Hypothese aufgenommen wurde Kosmische Beschleunigung.

Es gibt andere, spekulativere Ideen über die Zukunft des Universums. Das Phantomenergie Modell der dunklen Energie führt dazu abweichend Expansion, was bedeuten würde, dass die wirksame Kraft der dunklen Energie weiter wächst, bis sie alle anderen Kräfte im Universum dominiert. Unter diesem Szenario würde dunkle Energie letztendlich alle gravitation gebundenen Strukturen, einschließlich Galaxien und Sonnensysteme, auseinander reißen und schließlich die überwinden elektrisch und Atomkräfte Atome selbst auseinander reißen und das Universum in einem "beenden"Big Rip"Auf der anderen Seite kann sich dunkle Energie mit der Zeit auflösen oder sogar attraktiv werden. Solche Unsicherheiten lassen die Möglichkeit der Schwerkraft offen und führen zu einem Universum, das sich in sich selbst zusammenzieht."Großer Crunch",",[99] oder dass es sogar einen dunklen Energiezyklus geben kann, was a impliziert zyklisches Modell des Universums in welcher Iteration (Iteration (Urknall dann schließlich a Großer Crunch) nimmt ungefähr a Billion (1012) Jahre.[100][101] Während keine davon durch Beobachtungen gestützt wird, werden sie nicht ausgeschlossen.

In der Philosophie der Wissenschaft

Der Astrophysiker David Merritt identifiziert dunkle Energie als Beispiel für eine "Hilfshypothese", eine ad hoc Postulat, das einer Theorie als Reaktion auf Beobachtungen hinzugefügt wird, die verfälschen es. Er argumentiert, dass die Hypothese der dunklen Energie a ist konventioneller Hypothese, dh eine Hypothese, die keinen empirischen Inhalt hinzufügt und daher ist nicht zu fälschbar in dem Sinne definiert durch Karl Popper.[102]

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ Entnommen von Frieman, Turner & Huterer (2008)[92]: 6, 44:
    "Das Universum hat drei verschiedene Epochen durchgemacht:
    Strahlung dominiert,   z ≳ 3000;
    Materie dominiert,   3000 ≳ z ≳ 0,5; und
    Dunkelsenergie dominiert,   0,5 ≳ z .
    Die Entwicklung des Skalierungsfaktors wird durch die dominante Energieform gesteuert:
    (für Konstantew). Während der strahlungsdominierten Ära,,
    Während der maßgeblichen Ära,,
    und für die dunkle, energiedominierte Ära unter der Annahme   w ≃ –1   asymptotisch
    [92]: 6
    "Zusammengenommen liefern alle aktuellen Daten starke Beweise für die Existenz von dunkler Energie; sie beschränken den Bruchteil der kritischen Dichte durch dunkle Energie. 0,76 ± 0,02, und der Parameter Gleichung des Staates:
      w ≈ –1 ± 0,1 [stat.] ± 0,1 [sys.] ,
    vorausgesetzt, dasswist konstant. Dies impliziert, dass das Universum bei Rotverschiebung beschleunigte   z ~ 0,4 und Alter   t ~ 10 Ga . Diese Ergebnisse sind robust - Daten aus einer Methode können entfernt werden, ohne die Einschränkungen zu beeinträchtigen - und sie werden nicht wesentlich geschwächt, indem sie die Annahme räumlicher Flachheit fallen lassen. "[92]: 44

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