La sonda SuperNova / Acceleration, SNAP. Immagine di credito: Berkeley Lab Clicca per ingrandire
Qual è la misteriosa energia oscura che sta accelerando l'espansione dell'universo? È una qualche forma della famosa costante cosmologica di Einstein, o è una forza repulsiva esotica, soprannominata "quintessenza", che potrebbe costituire fino a tre quarti del cosmo? Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e del Dartmouth College credono che ci sia un modo per scoprirlo.
In un articolo che sarà pubblicato su Physical Review Letters, i fisici Eric Linder di Berkeley Lab e Robert Caldwell di Dartmouth mostrano che i modelli fisici dell'energia oscura possono essere separati in scenari distinti, che potrebbero essere usati per escludere la costante cosmologica di Einstein e spiegare la natura di energia oscura. Inoltre, gli scienziati dovrebbero essere in grado di determinare quale di questi scenari è corretto con gli esperimenti pianificati per la Joint Dark Energy Mission (JDEM) che è stata proposta dalla NASA e dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
"Gli scienziati hanno discusso della domanda" come dobbiamo misurare con precisione l'energia oscura per sapere di cosa si tratta? ", Afferma Linder. “Ciò che abbiamo fatto nel nostro documento è suggerire limiti di precisione per le misurazioni. Fortunatamente, questi limiti dovrebbero rientrare nella gamma degli esperimenti JDEM. "
Linder e Caldwell sono entrambi membri del team di definizione scientifica DOE-NASA per JDEM, che ha la responsabilità di elaborare i requisiti scientifici della missione. Linder è il leader del gruppo teorico per SNAP? la sonda SuperNova / Acceleration, uno dei veicoli proposti per lo svolgimento della missione JDEM. Caldwell, professore di fisica e astronomia a Dartmouth, è uno dei creatori del concetto di quintessenza.
Nel loro articolo in Physical Review Letters Linder e Caldwell descrivono due scenari, uno che chiamano "scongelamento" e uno che chiamano "congelamento", che indicano verso destini nettamente diversi per il nostro universo in continua espansione. Nello scenario di scongelamento, l'accelerazione dell'espansione diminuirà gradualmente e alla fine si fermerà, come un'auto quando il guidatore si alza sul pedale del gas. L'espansione potrebbe continuare più lentamente o l'universo potrebbe persino riapparire. Nello scenario di congelamento, l'accelerazione continua indefinitamente, come un'auto con il pedale del gas premuto a terra. L'universo sarebbe diventato sempre più diffuso, fino a quando alla fine la nostra galassia si sarebbe trovata sola nello spazio.
Uno di questi due scenari esclude la costante cosmologica di Einstein. Nel loro articolo Linder e Caldwell mostrano, per la prima volta, come separare in modo chiaro l'idea di Einstein da altre possibilità. In qualsiasi scenario, tuttavia, l'energia oscura è una forza da non sottovalutare.
Linder afferma: “Poiché l'energia oscura costituisce circa il 70 percento del contenuto dell'universo, domina sul contenuto della materia. Ciò significa che l'energia oscura governerà l'espansione e, in definitiva, determinerà il destino dell'universo. "
Nel 1998, due gruppi di ricerca hanno scosso il campo della cosmologia con i loro annunci indipendenti che l'espansione dell'universo sta accelerando. Misurando lo spostamento verso il rosso della luce delle supernovae di tipo Ia, le stelle dello spazio profondo che esplodono con un'energia caratteristica, i team del Supernova Cosmology Project con sede nel Berkeley Lab e il team di ricerca Supernova High-Z con sede in Australia hanno determinato che l'espansione dell'universo sta effettivamente accelerando, non rallentando. La forza sconosciuta alla base di questa espansione accelerata fu chiamata "energia oscura".
Prima della scoperta dell'energia oscura, la saggezza scientifica convenzionale sosteneva che il Big Bang avesse provocato un'espansione dell'universo che sarebbe stata gradualmente rallentata dalla gravità. Se il contenuto di materia nell'universo fornisse abbastanza gravità, un giorno l'espansione si fermerebbe del tutto e l'universo ricadrebbe su se stesso in una grande crisi. Se la gravità dalla materia fosse insufficiente per fermare completamente l'espansione, l'universo continuerebbe a fluttuare per sempre.
"Dagli annunci del 1998 e dalle successive misurazioni, ora sappiamo che l'espansione accelerata dell'universo non è iniziata fino a quando negli ultimi 10 miliardi di anni", afferma Caldwell.
I cosmologi ora si stanno arrampicando per determinare cosa sia esattamente l'energia oscura. Nel 1917 Einstein modificò la sua Teoria generale della relatività con una costante cosmologica che, se il valore fosse giusto, avrebbe permesso all'universo di esistere in uno stato statico perfettamente bilanciato. Anche se il fisico più famoso della storia in seguito avrebbe definito l'aggiunta di questa costante il suo "più grande errore", la scoperta dell'energia oscura ha fatto rivivere l'idea.
"La costante cosmologica era un'energia del vuoto (l'energia dello spazio vuoto) che impediva alla gravità di trascinare l'universo su se stesso", afferma Linder. “Un problema con la costante cosmologica è che è costante, con la stessa densità di energia, pressione ed equazione di stato nel tempo. L'energia oscura, tuttavia, doveva essere trascurabile nelle prime fasi dell'universo; altrimenti le galassie e tutte le loro stelle non si sarebbero mai formate. "
Affinché la costante cosmologica di Einstein porti all'universo che vediamo oggi, la scala energetica dovrebbe essere di molti ordini di grandezza più piccola di qualsiasi altra cosa nell'universo. Anche se questo può essere possibile, dice Linder, non sembra probabile. Inserisci il concetto di "quintessenza", che prende il nome dal quinto elemento degli antichi greci, oltre all'aria, alla terra, al fuoco e all'acqua; credevano che fosse la forza che teneva in posizione la luna e le stelle.
"La quintessenza è una forma di energia dinamica, in evoluzione nel tempo e spazialmente dipendente con una pressione negativa sufficiente a guidare l'espansione accelerata", afferma Caldwell. “Considerando che la costante cosmologica è una forma molto specifica di energia? energia del vuoto? la quintessenza comprende un'ampia gamma di possibilità. "
Per limitare le possibilità di quintessenza e fornire obiettivi fermi per i test di base che confermerebbero anche la sua candidatura come fonte di energia oscura, Linder e Caldwell hanno usato un campo scalare come modello. Un campo scalare possiede una misura di valore ma non una direzione per tutti i punti nello spazio. Con questo approccio, gli autori sono stati in grado di mostrare la quintessenza come campo scalare rilassando la sua energia potenziale fino a un valore minimo. Pensa a una serie di molle sotto tensione ed esercita una pressione negativa che contrasta la pressione positiva della gravità.
"Un campo scalare per eccellenza è come un campo di molle che copre ogni punto dello spazio, con ogni molla allungata a una lunghezza diversa", ha detto Linder. "Per la costante cosmologica di Einstein, ogni molla sarebbe della stessa lunghezza e immobile."
Nel loro scenario di scongelamento, l'energia potenziale del campo della quintessenza è stata "congelata" sul posto fino a quando la densità materiale decrescente di un universo in espansione lo ha gradualmente rilasciato. Nello scenario di congelamento, il campo della quintessenza sta rotolando verso il suo potenziale minimo da quando l'universo ha subito l'inflazione, ma quando arriva a dominare l'universo diventa gradualmente un valore costante.
La proposta SNAP è in ricerca e sviluppo di fisici, astronomi e ingegneri del Berkeley Lab, in collaborazione con colleghi dell'Università della California a Berkeley e molte altre istituzioni; richiede un telescopio riflettore a tre specchi da 2 metri in orbita nello spazio profondo che verrebbe utilizzato per trovare e misurare ogni anno migliaia di supernovae di tipo Ia. Queste misurazioni dovrebbero fornire informazioni sufficienti per indicare chiaramente lo scenario di scongelamento o di congelamento? o a qualcos'altro completamente nuovo e sconosciuto.
Dice Linder, “Se i risultati di misurazioni come quelle che potrebbero essere fatte con SNAP si trovano al di fuori degli scenari di scongelamento o congelamento, allora potremmo dover guardare oltre la quintessenza, forse anche a fisica ancora più esotica, come una modifica della teoria generale di Einstein di relatività per spiegare l'energia oscura ".
Fonte originale: Comunicato stampa Berkeley Lab
