Mørk Energi
Ikon JDEM SNAP

Mulig løsning på den mystiske mørke energien

2005-09-05
Mørk energi kan være tidenes største gåte. Hele 70% av universet er fyllt av en frastøtende kraft vi ikke vet hva er eller forstår.

Forskere diskuterer nå hvor gode målinger vi trenger for å få klarhet i hva mørk energi er. Ønsk velkommen til det "opptinte" og "nedfrossede" univers.
I en publikasjon til å bli publiser i "Physical Review Letters" har fysikerne Eric Linder og Robert Caldwell ved Darthmouth vist at fysiske modeller av mørk energi kan separeres i forskjellige scenario. Målinger kan brukes til å utelukke den ene eller den andre modellen og grensene for målingene er innenfor rekkevidde til det foreslåtte romobservatoriet JDEM (Joint Dark Energy Mission).
SNAP JDEM
SuperNova Acceleration Probe, SNAP, vil gjøre nøyaktige målinger av tusenvis av supernovae for å finne ut av mysteriet. (Berkeley Lab)
Linder og Caldwell er begge medlemmer av DOE-NASA forskergruppen som bestemmer de vitenskapelige kravene til instrumentene på JDEM. Linder er lederen av teorigruppen for SNAP (SuperNova Acceleration Probe) mens Caldwell, professor i fysikk og astronomi, jobber med konseptet om Kvintessens.

I publikasjonen beskriver Linder og Caldwell to scenario, en som de kaller "tining" og den andre "frysing". Utfallet av tankeeksperimentet har vidt forskjellige konsekvenser for universets videre utvikling. I opptiningsscenarioet vil akselerasjonen av utvidelsen til universet gradvis stoppe opp, i nedfrysingsscenarioet vil universet ekspandere stadig raskere.

"Siden mørk energi utgjør omtrent 70% av innholdet i universet dominerer den fullstendig mengden materie," forteller Linder. "Dette betyr at mørk energi vil avgjøre ekspansjonen og, når alt kommer til alt, avgjøre universets skjebne."

Frem til 1998 trodde man, som en naturlig følge av Big Bang, at universet etterhvert ville stoppe å ekspandere som en hvilken som helst annen eksplosjon, for så å eventuellt å implodere igjen i et Big Crunch. Kosmologiverden ble snudd på hodet da to forskergrupper uavhengig av hverandre annonserte at ekspansjonen ikke stoppet opp, den akselererte!
Det ekspanderende univers
I dag dominerer den frastøtende mørke energien over den samlende gravitasjonskraften. Før var materie plassert tettere sammen og gravitasjonen var den dominerende kraften. (Berkeley Lab)
I følge Hubbles lov er ekspansjonshastigheten til universet proposjonalt med avstanden til observatøren. En annen måte å si det på er at en galakse 2 milliarder lysår unna vil bevege seg dobbelt så raskt fra oss som en galakse bare 1 milliard lysår unna. Ved å studere hastigheten til en rekke supernovaer fant forskergruppene ut galaksen 2 milliarder lysår unna bevegde seg mer enn dobbelt så raskt som den på 1 milliarder lysår. Forholdet er med andre ord ikke lineært, men økende.

Forsøk i kjølvannet av denne oppdagelsen har til og med vist at økningen ikke begynnte før universet var rundt 4 milliarder år gammelt, for nesten 10 milliarder år siden.

Kosmologer jobber nå hardt med å bestemme akkurat hva mørk materie egentlig er. I 1917 løste Einstein ligningen som beskriver universets tilstand. Han ble overrasket over å finne ut at universet måtte måtte kollapse under sin egen gravitasjonskraft. Ideen om et dynamisk univers var fremmed på den tiden og Einstein følte at det var noe feil med ligningen. Han la derfor til et ekstra ledd som skulle veie opp for kollapsen. Kun kort tid etter oppdaget Edwin Hubble at galakser generelt beveger seg fra oss og hverandre, universet var ikke statisk, og Einstein kalte det ekstra inngrepet sitt livs største tabbe.

Med de nye oppdagelsene var det naturlig å se nærmere på den opprinnelige ligningen til Einstein igjen. Det ekstra leddet er en konstant og kalles ofte for "lamdba" eller den "kosmologiske konstanten". "Problemet med den kosmologiske er at den er konstant, med den samme energitettheten, trykket og tilstand over tid," sier Linder. "Mørk energi, derimot, må ha vært ubetydelig i univerts barndom, hvis ikke ville aldri stjerner ha gruppert seg sammen i galakser."
Kvintessen eller kosmologisk konstant
Man kan se for seg mørk energi som springfjær som finnes overalt i universet. (Berkeley Lab)
Løsningen kan være konseptet om "Kvintessens", navngitt etter det femte element til de gamle grekerne i tillegg til luft, ild, jord og vann. De trodde det femte elementet holdt månen og stjernene på plass.

"Kvintessens" er en dynamisk form for energi som kan variere fra sted til sted og over tid," fortsetter Caldwell. "Mens den kosmologiske konstanten representerer en veldig spesifikk form for energi - vakuumenergi - kan kvintessens drives av en hel rekke muligheter."

For å begrense mulighetene til Kvintessens og for å kunne gi konkrete forslag til testing har Linder og Caldwell brukt et "skalarfelt" i sin modell. Et skalfelt har en størrelse, men ikke en retning over alt. "Et kvintessensskalarfelt er som en mengde springfjær overalt i hele rommet der hver fjær er strukket ut og presset sammen forskjellig," forteller Linder. "Med Einsteins kosmologiske konstant måtte hver fjær ha akkurat samme lengde og uten bevegelse."

I opptiningsscenarioet var fjærene "frosset" til den dalende materietettheten i det ekspanderende universet tinet det opp. I nedfrysingsscenarioet har fjærene vibrert frem og tilbake til de, og universets ekspansjon til slutt stopper opp.

SNAP forslaget krever 3 teleskopspeil, hver 2 meter i diameter, i stor bane rundt Jorda. Den vil finne og måle tusenvis av supernovaer hvert år og gi så gode målinger at det ene scenarioet kan foretrekkes fremfor det andre.

Eventuelt kan målingene føre til en revisjon av hele teorien som betyr at vi må starte på nytt. Hvem vet. Det er det som gjør kosmologi så spennende, ingen vet hvor den neste store oppdagelsen kommer. Det er som nevnt bare 7 år siden mørk energi ble oppdaget.