SuperNova / Probe Akselerasi, SNAP. Kredit gambar: Berkeley Lab Klik untuk memperbesar
Apa energi gelap misterius yang menyebabkan perluasan alam semesta melaju dengan cepat? Apakah itu suatu bentuk konstanta kosmologis Einstein yang terkenal, atau apakah itu kekuatan menjijikkan yang eksotis, dijuluki "intisari," yang dapat membentuk sebanyak tiga perempat dari kosmos? Para ilmuwan dari Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) dan Dartmouth College percaya ada cara untuk mengetahuinya.
Dalam sebuah makalah yang akan diterbitkan dalam Physical Review Letters, fisikawan Eric Linder dari Berkeley Lab dan Robert Caldwell dari Dartmouth menunjukkan bahwa model fisika energi gelap dapat dipisahkan menjadi skenario yang berbeda, yang dapat digunakan untuk mengesampingkan konstanta kosmologis Einstein dan menjelaskan sifatnya. energi gelap. Terlebih lagi, para ilmuwan harus dapat menentukan skenario mana yang benar dengan percobaan yang direncanakan untuk Misi Energi Gelap Bersama (JDEM) yang telah diusulkan oleh NASA dan Departemen Energi AS.
"Para ilmuwan telah mengajukan pertanyaan‘ seberapa tepatnya kita perlu mengukur energi gelap untuk mengetahui apa itu? '"Kata Linder. “Apa yang telah kami lakukan di makalah kami menyarankan batas presisi untuk pengukuran. Untungnya, batas-batas ini harus dalam jangkauan eksperimen JDEM. "
Linder dan Caldwell sama-sama anggota tim definisi sains DOE-NASA untuk JDEM, yang memiliki tanggung jawab untuk menyusun persyaratan ilmiah misi. Linder adalah pemimpin kelompok teori untuk SNAP? SuperNova / Acceleration Probe, salah satu kendaraan yang diusulkan untuk melaksanakan misi JDEM. Caldwell, seorang profesor fisika dan astronomi di Dartmouth, adalah salah satu penggagas konsep intisari.
Dalam makalah mereka di Physical Review Linder Linder dan Caldwell menggambarkan dua skenario, satu mereka sebut "pencairan" dan satu lagi mereka sebut "pembekuan," yang menunjuk pada nasib yang sangat berbeda bagi alam semesta kita yang terus berkembang secara permanen. Di bawah skenario pencairan, akselerasi ekspansi secara bertahap akan berkurang dan akhirnya berhenti, seperti mobil ketika pengemudi mudah naik ke pedal gas. Ekspansi dapat berlanjut lebih lambat, atau alam semesta bahkan mungkin runtuh kembali. Di bawah skenario pembekuan, akselerasi berlanjut tanpa batas, seperti mobil dengan pedal gas didorong ke lantai. Alam semesta akan menjadi semakin tersebar, sampai akhirnya galaksi kita akan menemukan dirinya sendiri di ruang angkasa.
Salah satu dari dua skenario ini mengesampingkan konstanta kosmologis Einstein. Dalam makalah mereka, Linder dan Caldwell menunjukkan, untuk pertama kalinya, bagaimana memisahkan ide Einstein dari kemungkinan lain. Namun, dalam skenario apa pun, energi gelap adalah kekuatan yang harus diperhitungkan.
Linder mengatakan, “Karena energi gelap membentuk sekitar 70 persen dari isi alam semesta, ia mendominasi atas materi. Itu berarti energi gelap akan mengatur ekspansi dan, pada akhirnya, menentukan nasib alam semesta. "
Pada tahun 1998, dua kelompok penelitian mengguncang bidang kosmologi dengan pengumuman independen mereka bahwa perluasan alam semesta semakin cepat. Dengan mengukur pergeseran merah cahaya dari supernova Tipe Ia, bintang angkasa luar yang meledak dengan energi yang khas, tim dari Proyek Kosmologi Supernova yang berkantor pusat di Berkeley Lab dan Tim Pencarian Supernova High-Z yang berpusat di Australia menentukan bahwa perluasan alam semesta sebenarnya mempercepat, tidak melambat. Kekuatan yang tidak diketahui di balik ekspansi yang dipercepat ini diberi nama "energi gelap."
Sebelum ditemukannya energi gelap, kebijaksanaan ilmiah konvensional menyatakan bahwa Big Bang telah menghasilkan perluasan alam semesta yang lambat laun akan melambat oleh gravitasi. Jika kandungan materi di alam semesta memberikan gravitasi yang cukup, suatu hari ekspansi akan berhenti sama sekali dan alam semesta akan jatuh kembali dengan sendirinya dalam Big Crunch. Jika gravitasi dari materi tidak cukup untuk sepenuhnya menghentikan ekspansi, alam semesta akan terus melayang terpisah selamanya.
"Dari pengumuman pada tahun 1998 dan pengukuran selanjutnya, kita sekarang tahu bahwa percepatan ekspansi alam semesta tidak dimulai sampai sekitar 10 miliar tahun terakhir," kata Caldwell.
Ahli kosmologi sekarang berjuang untuk menentukan apa sebenarnya energi gelap itu. Pada 1917 Einstein mengubah Teori Relativitas Umum dengan konstanta kosmologis, yang, jika nilainya benar, akan memungkinkan alam semesta ada dalam keadaan statis dan seimbang yang sempurna. Meskipun fisikawan paling terkenal di kemudian hari menyebut penambahan konstanta ini sebagai "kesalahan terbesar", penemuan energi gelap telah menghidupkan kembali idenya.
"Konstanta kosmologis adalah energi vakum (energi ruang kosong) yang mencegah gravitasi menarik alam semesta dengan sendirinya," kata Linder. “Masalah dengan konstanta kosmologis adalah konstan, dengan kepadatan energi, tekanan, dan persamaan keadaan yang sama dari waktu ke waktu. Energi gelap, bagaimanapun, harus diabaikan di tahap paling awal alam semesta; kalau tidak, galaksi dan semua bintang mereka tidak akan pernah terbentuk. "
Agar konstanta kosmologis Einstein menghasilkan alam semesta yang kita lihat hari ini, skala energi haruslah banyak urutan besarnya lebih kecil daripada apa pun di alam semesta ini. Meskipun ini mungkin, Linder mengatakan, sepertinya tidak mungkin. Masukkan konsep "intisari," dinamai setelah elemen kelima orang Yunani kuno, selain udara, bumi, api, dan air; mereka percaya itu adalah kekuatan yang menahan bulan dan bintang pada tempatnya.
“Intisari adalah bentuk energi yang dinamis, berkembang waktu, dan tergantung spasial dengan tekanan negatif yang cukup untuk mendorong ekspansi yang semakin cepat,” kata Caldwell. “Padahal konstanta kosmologis adalah bentuk energi yang sangat spesifik? energi vakum? intisari mencakup berbagai kemungkinan. ”
Untuk membatasi kemungkinan intisari dan memberikan target tegas untuk tes dasar yang juga akan mengkonfirmasi pencalonannya sebagai sumber energi gelap, Linder dan Caldwell menggunakan bidang skalar sebagai model mereka. Bidang skalar memiliki ukuran nilai tetapi tidak arah untuk semua titik dalam ruang. Dengan pendekatan ini, penulis dapat menunjukkan intisari sebagai bidang skalar mengendurkan energi potensinya ke nilai minimum. Pikirkan satu set pegas di bawah tekanan dan berikan tekanan negatif yang menetralkan tekanan positif gravitasi.
"Bidang skalar intisari adalah seperti bidang pegas yang menutupi setiap titik di ruang angkasa, dengan setiap pegas membentang ke panjang yang berbeda," kata Linder. "Untuk konstanta kosmologis Einstein, setiap pegas akan memiliki panjang yang sama dan tidak bergerak."
Di bawah skenario pencairan mereka, energi potensial dari bidang intisari itu "beku" di tempatnya sampai kepadatan material yang menurun dari alam semesta yang mengembang secara bertahap melepaskannya. Dalam skenario pembekuan, bidang intisari telah bergulir menuju potensi minimumnya sejak alam semesta mengalami inflasi, tetapi ketika ia mendominasi alam semesta secara bertahap ia menjadi nilai yang konstan.
Proposal SNAP dalam penelitian dan pengembangan oleh fisikawan, astronom, dan insinyur di Berkeley Lab, bekerja sama dengan rekan-rekan dari University of California di Berkeley dan banyak lembaga lainnya; itu panggilan untuk teleskop refleksi 3 meter, 2 meter di orbit luar angkasa yang akan digunakan untuk menemukan dan mengukur ribuan supernova Tipe Ia setiap tahun. Pengukuran ini harus memberikan informasi yang cukup untuk menunjukkan dengan jelas skenario pencairan atau pembekuan? atau untuk sesuatu yang sama sekali baru dan tidak dikenal.
Kata Linder, “Jika hasil dari pengukuran seperti yang dapat dibuat dengan SNAP berada di luar skenario pencairan atau pembekuan, maka kita mungkin harus melihat melampaui intisari, mungkin pada fisika yang lebih eksotis, seperti modifikasi Teori Umum Einstein. Relativitas untuk menjelaskan energi gelap. "
Sumber Asli: Siaran Pers Berkeley Lab
