Dunkle Energie. Dunkle Energie im Universum

Alles, was wir um uns herum sehen (Sterne und Galaxien), macht nicht mehr als 4-5 % der Gesamtmasse im Universum aus!

Nach modernen kosmologischen Theorien besteht unser Universum nur zu 5 % aus gewöhnlicher, sogenannter baryonischer Materie, die alle beobachtbaren Objekte bildet; 25 % der Dunklen Materie werden aufgrund der Schwerkraft entdeckt; und dunkle Energie, die bis zu 70 % der Gesamtmenge ausmachen.

Die Begriffe Dunkle Energie und Dunkle Materie sind nicht ganz gelungen und stellen eine wörtliche, aber nicht semantische Übersetzung aus dem Englischen dar.

Im physikalischen Sinne implizieren diese Begriffe nur, dass diese Substanzen nicht mit Photonen interagieren und man sie genauso gut als unsichtbare oder transparente Materie und Energie bezeichnen könnte.

Viele moderne Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass Forschungen zur Erforschung dunkler Energie und Materie wahrscheinlich zur Beantwortung der globalen Frage beitragen werden: Was erwartet unser Universum in der Zukunft?

Klumpen von der Größe einer Galaxie

Dunkle Materie ist eine Substanz, die höchstwahrscheinlich aus neuen Teilchen besteht, die unter terrestrischen Bedingungen noch unbekannt sind und Eigenschaften besitzen, die der gewöhnlichen Materie selbst innewohnen. Beispielsweise ist es wie gewöhnliche Substanzen auch in der Lage, sich zu Klumpen zusammenzuschließen und an gravitativen Wechselwirkungen teilzunehmen. Doch die Größe dieser sogenannten Klumpen kann die Größe einer ganzen Galaxie oder sogar eines Galaxienhaufens überschreiten.

Ansätze und Methoden zur Untersuchung von Teilchen der Dunklen Materie

Derzeit versuchen Wissenschaftler auf der ganzen Welt mit speziell entwickelten hochtechnologischen Geräten und vielen verschiedenen Forschungsmethoden auf jede erdenkliche Weise, Teilchen der Dunklen Materie unter terrestrischen Bedingungen zu entdecken oder künstlich zu gewinnen, aber bisher sind alle ihre Bemühungen nicht gekrönt mit Erfolg.

Eine Methode besteht darin, Experimente an Hochenergiebeschleunigern, sogenannten Collidern, durchzuführen. Wissenschaftler gehen davon aus, dass Teilchen der Dunklen Materie 100–1000 Mal schwerer sind als ein Proton und gehen davon aus, dass sie bei der Kollision gewöhnlicher Teilchen entstehen müssen, die durch einen Collider auf hohe Energien beschleunigt werden. Der Kern einer anderen Methode besteht darin, Teilchen der dunklen Materie zu registrieren, die sich überall um uns herum befinden. Die Hauptschwierigkeit bei der Registrierung dieser Teilchen besteht darin, dass sie eine sehr schwache Wechselwirkung mit gewöhnlichen Teilchen zeigen, die für sie von Natur aus transparent sind. Dennoch kollidieren Teilchen der Dunklen Materie sehr selten mit Atomkernen, und es besteht die Hoffnung, dass dieses Phänomen früher oder später registriert wird.

Es gibt andere Ansätze und Methoden zur Untersuchung von Teilchen der Dunklen Materie, und die Zeit wird zeigen, welche davon als erste erfolgreich sein wird, aber auf jeden Fall wird die Entdeckung dieser neuen Teilchen eine große wissenschaftliche Errungenschaft sein.

Substanz mit Anti-Schwerkraft

Dunkle Energie ist eine noch ungewöhnlichere Substanz als dunkle Materie. Es hat nicht die Fähigkeit, sich zu Klumpen zusammenzuballen, weshalb es gleichmäßig im gesamten Universum verteilt ist. Seine derzeit ungewöhnlichste Eigenschaft ist jedoch die Antigravitation.

Die Natur der Dunklen Materie und Schwarzen Löchern

Dank moderner astronomischer Methoden ist es möglich, die aktuelle Expansionsrate des Universums zu bestimmen und den Prozess seiner Veränderung früher zu simulieren. Dadurch wurde die Information gewonnen, dass sich unser Universum sowohl derzeit als auch in der jüngeren Vergangenheit ausdehnt und die Geschwindigkeit dieses Prozesses ständig zunimmt. Aus diesem Grund entstand die Hypothese über die Antigravitation der Dunklen Energie, da die gewöhnliche Gravitationsanziehung den Prozess der „Galaxienrezession“ verlangsamen und die Expansionsrate des Universums bremsen würde. Dieses Phänomen widerspricht nicht der allgemeinen Relativitätstheorie, aber dunkle Energie muss einen Unterdruck haben – eine Eigenschaft, die keine derzeit bekannte Substanz besitzt.

Kandidaten für die Rolle der „Dunklen Energie“

Die Masse der Galaxien im Abel 2744-Cluster beträgt weniger als 5 Prozent seiner Gesamtmasse. Dieses Gas ist so heiß, dass es nur im Röntgenlicht (in diesem Bild rot) leuchtet. Die Verteilung der unsichtbaren Dunklen Materie (die etwa 75 Prozent der Masse des Clusters ausmacht) ist blau gefärbt.

Einer der vermeintlichen Kandidaten für die Rolle der Dunklen Energie ist das Vakuum, dessen Energiedichte während der Expansion des Universums unverändert bleibt und damit den Unterdruck des Vakuums bestätigt. Ein weiterer möglicher Kandidat ist die „Quintessenz“ – ein bisher unbekanntes ultraschwaches Feld, das angeblich das gesamte Universum durchdringt. Es gibt auch andere mögliche Kandidaten, aber keiner von ihnen hat bisher dazu beigetragen, eine genaue Antwort auf die Frage zu erhalten: Was ist dunkle Energie? Es ist jedoch bereits klar, dass dunkle Energie etwas völlig Übernatürliches ist und das Hauptgeheimnis der Grundlagenphysik des 21. Jahrhunderts bleibt.

Was Dunkle Materie und dunkle Energie Das Universum: Struktur des Weltraums mit Fotos, Volumen in Prozent, Einfluss auf Objekte, Forschung, Ausdehnung des Universums.

Etwa 80 % des Raumes werden durch Material repräsentiert, das der direkten Beobachtung verborgen bleibt. Es geht um Dunkle Materie– eine Substanz, die weder Energie noch Licht erzeugt. Wie erkannten die Forscher, dass es dominant war?

In den 1950er Jahren begannen Wissenschaftler, andere Galaxien aktiv zu untersuchen. Bei den Analysen stellten sie fest, dass das Universum mit mehr Material gefüllt ist, als auf „eingefangen“ werden kann. sichtbares Auge" Jeden Tag tauchten Befürworter der Dunklen Materie auf. Obwohl es keine direkten Beweise für seine Existenz gab, wuchsen die Theorien und auch Problemumgehungen für die Beobachtung.

Das Material, das wir sehen, wird baryonische Materie genannt. Es wird durch Protonen, Neutronen und Elektronen repräsentiert. Es wird angenommen, dass Dunkle Materie in der Lage ist, baryonische und nichtbaryonische Materie zu kombinieren. Damit das Universum in seiner gewohnten Integrität bleibt, muss dunkle Materie in einer Menge von 80 % vorhanden sein.

Die schwer fassbare Substanz kann unglaublich schwer zu finden sein, wenn sie baryonische Materie enthält. Zu den Kandidaten zählen Braune und Weiße Zwerge sowie Neutronensterne. Auch supermassereiche Schwarze Löcher können den Unterschied verstärken. Aber sie müssen einen größeren Einfluss beigetragen haben, als die Wissenschaftler sahen. Es gibt diejenigen, die denken, dass dunkle Materie aus etwas Ungewöhnlicherem und Seltenerem bestehen muss.

Zusammengesetztes Bild des Hubble-Teleskops, das einen geisterhaften Ring aus dunkler Materie im Galaxienhaufen Cl 0024+17 zeigt

Der Großteil der wissenschaftlichen Welt glaubt, dass die unbekannte Substanz hauptsächlich durch nicht-baryonische Materie repräsentiert wird. Der beliebteste Kandidat sind WIMPS (schwach wechselwirkende massive Teilchen), deren Masse 10–100 Mal größer als die eines Protons ist. Aber ihre Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie ist zu schwach, was es schwieriger macht, sie zu finden.

Neutrinos, massive hypothetische Teilchen, die eine größere Masse als Neutrinos haben, sich aber durch ihre Langsamkeit auszeichnen, werden nun sehr sorgfältig untersucht. Sie wurden noch nicht gefunden. Als Möglichkeiten Das kleinere Neutralaxiom und intakte Photonen werden ebenfalls berücksichtigt.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Wissen über die Schwerkraft veraltet ist und aktualisiert werden muss.

Unsichtbare dunkle Materie und dunkle Energie

Aber wenn wir etwas nicht sehen, wie können wir dann beweisen, dass es existiert? Und warum haben wir entschieden, dass dunkle Materie und dunkle Energie etwas Reales sind?

Die Masse großer Objekte wird aus ihrer räumlichen Bewegung berechnet. In den 1950er Jahren gingen Forscher bei der Untersuchung von Spiralgalaxien davon aus, dass sich Material in der Nähe des Zentrums viel schneller bewegen würde als Material in weiter Entfernung. Es stellte sich jedoch heraus, dass sich die Sterne mit der gleichen Geschwindigkeit bewegten, was bedeutete, dass es viel mehr Masse gab als bisher angenommen. Das in elliptischen Typen untersuchte Gas zeigte die gleichen Ergebnisse. Die gleiche Schlussfolgerung lag nahe: Wenn wir uns nur von der sichtbaren Masse leiten ließen, wären Galaxienhaufen schon vor langer Zeit zusammengebrochen.

Albert Einstein konnte nachweisen, dass große universelle Objekte in der Lage sind, Lichtstrahlen zu biegen und zu verzerren. Dadurch konnten sie als natürliche Vergrößerungslinse verwendet werden. Durch die Untersuchung dieses Prozesses konnten Wissenschaftler eine Karte der Dunklen Materie erstellen.

Es stellt sich heraus, dass der größte Teil unserer Welt durch eine noch immer schwer fassbare Substanz repräsentiert wird. Weitere interessante Dinge über Dunkle Materie erfahren Sie, wenn Sie sich das Video ansehen.

Dunkle Materie

Der Physiker Dmitry Kazakov über die Gesamtenergiebilanz des Universums, die Theorie der verborgenen Masse und der Teilchen der Dunklen Materie:

Wenn wir über Materie sprechen, dann liegt die Dunkle Materie prozentual sicherlich vorne. Aber insgesamt nimmt es nur ein Viertel von allem ein. Das Universum ist reichhaltig dunkle Energie.

Seit dem Urknall hat der Weltraum einen Expansionsprozess begonnen, der bis heute anhält. Die Forscher gingen davon aus, dass irgendwann die anfängliche Energie aufgebraucht sein würde und es zu einer Verlangsamung kommen würde. Aber entfernte Supernovae zeigen, dass der Weltraum nicht stehen bleibt, sondern an Geschwindigkeit gewinnt. All dies ist nur möglich, wenn die Energiemenge so groß ist, dass sie den Einfluss der Schwerkraft überwindet.

Dunkle Materie und dunkle Energie: ein Rätsel erklärt

Wir wissen, dass das Universum größtenteils aus dunkler Energie besteht. Dies ist eine mysteriöse Kraft, die dazu führt, dass der Weltraum die Expansionsrate des Universums beschleunigt. Eine weitere mysteriöse Komponente ist die Dunkle Materie, die nur durch die Schwerkraft Kontakt zu Objekten aufrechterhält.

Wissenschaftler können dunkle Materie nicht durch direkte Beobachtung erkennen, aber die Auswirkungen können untersucht werden. Sie schaffen es, Licht einzufangen, das durch die Schwerkraft unsichtbarer Objekte gebeugt wird (Gravitationslinseneffekt). Sie bemerken auch Momente, in denen sich der Stern viel schneller um die Galaxie dreht, als er sollte.

All dies wird durch das Vorhandensein einer großen Menge schwer fassbarer Substanz erklärt, die Masse und Geschwindigkeit beeinflusst. Tatsächlich ist diese Substanz von Geheimnissen umgeben. Es stellt sich heraus, dass Forscher eher nicht sagen können, was vor ihnen liegt, sondern was „es“ nicht ist.

Diese Collage zeigt Bilder von sechs verschiedenen Galaxienhaufen, aufgenommen vom Hubble-Weltraumteleskop der NASA. Die Cluster wurden bei Versuchen entdeckt, das Verhalten der Dunklen Materie in Galaxienhaufen während ihrer Kollision zu untersuchen

Dunkle Materie... dunkel. Es erzeugt kein Licht und ist im direkten Blickfeld nicht sichtbar. Daher schließen wir Sterne und Planeten aus.

Es fungiert nicht als Wolke aus gewöhnlicher Materie (solche Teilchen werden Baryonen genannt). Wenn Baryonen in der Dunklen Materie vorhanden wären, würden sie bei direkter Beobachtung auftauchen.

Wir schließen auch Schwarze Löcher aus, da sie als Gravitationslinsen wirken, die Licht aussenden. Wissenschaftler beobachten nicht genügend Linseneffekte, um die Menge an Dunkler Materie zu berechnen, die vorhanden sein muss.

Obwohl das Universum ein riesiger Ort ist, begann alles mit den kleinsten Strukturen. Es wird angenommen, dass dunkle Materie zu verdichten begann, um mit normaler Materie „Bausteine“ zu bilden, wodurch die ersten Galaxien und Cluster entstanden.

Um Dunkle Materie zu finden, nutzen Wissenschaftler verschiedene Methoden:

• Der Large Hadron Collider.
• Instrumente wie WNAP und das Planck-Weltraumobservatorium.
• Direktsichtexperimente: ArDM, CDMS, Zeplin, XENON, WARP und ArDM.
• Indirekte Detektion: Gammastrahlendetektoren (Fermi), Neutrinoteleskope (IceCube), Antimateriedetektoren (PAMELA), Röntgen- und Radiosensoren.

Methoden zur Suche nach Dunkler Materie

Physiker Anton Baushev über schwache Wechselwirkungen zwischen Teilchen, Radioaktivität und die Suche nach Vernichtungsspuren:

Tauchen Sie tiefer in das Geheimnis der Dunklen Materie und Dunklen Energie ein

Wissenschaftler konnten Dunkle Materie nie im wahrsten Sinne des Wortes sehen, da sie keinen Kontakt mit baryonischer Materie hat und daher für Licht und andere Arten elektromagnetischer Strahlung unzugänglich bleibt. Aber Forscher sind von seiner Präsenz überzeugt, da sie die Auswirkungen auf Galaxien und Galaxienhaufen überwachen.

Die Standardphysik besagt, dass Sterne, die sich an den Rändern einer Spiralgalaxie befinden, langsamer werden sollten. Es stellt sich jedoch heraus, dass Sterne auftauchen, deren Geschwindigkeit nicht dem Prinzip der Ortung im Verhältnis zum Zentrum gehorcht. Dies kann nur dadurch erklärt werden, dass die Sterne im Halo um die Galaxie den Einfluss unsichtbarer dunkler Materie spüren.

Das Vorhandensein dunkler Materie kann auch einige der in den Tiefen des Universums beobachteten Illusionen entschlüsseln. Zum Beispiel das Vorhandensein seltsamer Ringe und Lichtbögen in Galaxien. Das heißt, Licht von entfernten Galaxien durchdringt die Verzerrung und wird durch eine unsichtbare Schicht dunkler Materie verstärkt (Gravitationslinse).

Bisher haben wir einige Vorstellungen darüber, was dunkle Materie ist. Die Grundidee sind exotische Teilchen, die nicht mit gewöhnlicher Materie und Licht in Berührung kommen, aber Kraft im Sinne der Gravitation besitzen. Jetzt arbeiten mehrere Gruppen (einige nutzen den Large Hadron Collider) daran, Dunkle-Materie-Partikel zu erzeugen, die im Labor untersucht werden sollen.

Andere meinen, der Einfluss könne durch eine grundlegende Modifikation der Gravitationstheorie erklärt werden. Dann erhalten wir mehrere Formen der Schwerkraft, die sich erheblich vom üblichen Bild und den Gesetzen der Physik unterscheiden.

Das expandierende Universum und die Dunkle Energie

Noch verwirrender ist die Situation bei der Dunklen Energie und die Entdeckung selbst wurde in den 1990er Jahren unvorhersehbar. Physiker haben immer angenommen, dass die Schwerkraft den Prozess der universellen Expansion verlangsamt und eines Tages möglicherweise stoppen könnte. Zwei Teams übernahmen die Aufgabe, die Geschwindigkeit zu messen, und beide stellten zu ihrer Überraschung eine Beschleunigung fest. Es ist, als würde man einen Apfel in die Luft werfen und wissen, dass er herunterfallen wird, sich aber immer weiter von einem entfernt.

Es wurde deutlich, dass die Beschleunigung durch eine bestimmte Kraft beeinflusst wurde. Darüber hinaus scheint es, dass diese Kraft umso mehr „Macht“ gewinnt, je größer das Universum ist. Wissenschaftler beschlossen, es dunkle Energie zu nennen.

In der Kosmologie – der Wissenschaft, die die Struktur und Entwicklung des Universums untersucht – hat sich in jüngster Zeit der Begriff „dunkle Energie“ weit verbreitet, was bei Menschen, die weit von diesen Studien entfernt sind, zumindest leichte Verwirrung hervorruft. Es wird oft mit einem anderen „dunklen“ Begriff kombiniert – „dunkle Materie“, und es wird auch erwähnt, dass diese beiden Substanzen Beobachtungsdaten zufolge 95 % der Gesamtdichte des Universums ausmachen. Lassen Sie uns einen Lichtstrahl auf dieses „Königreich der Dunkelheit“ werfen.

IN Wissenschaftliche Literatur Der Begriff „dunkle Energie“ tauchte Ende des letzten Jahrhunderts auf und bezeichnete die physische Umgebung, die das gesamte Universum erfüllt. Im Gegensatz zu verschiedene Arten Substanzen und Strahlung, von denen es (zumindest theoretisch) möglich ist, ein bestimmtes Volumen vollständig zu reinigen oder abzuschirmen, ist dunkle Energie im modernen Universum untrennbar mit jedem Kubikzentimeter Weltraum verbunden. Mit einigem Aufwand können wir sagen, dass der Raum selbst Masse hat und an der Gravitationswechselwirkung teilnimmt. (Denken Sie daran, dass gemäß der bekannten Formel E = mc 2 Energie der Masse entspricht.)

Das erste Wort im Begriff „dunkle Energie“ weist darauf hin, dass diese Form der Materie keine elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, aussendet oder absorbiert. Es interagiert mit gewöhnlicher Materie nur durch die Schwerkraft. Das Wort „Energie“ stellt dieses Medium der strukturierten Materie gegenüber, die aus Teilchen besteht, und betont, dass es nicht am Prozess der gravitativen Ansammlung beteiligt ist, die zur Bildung von Galaxien und ihren Clustern führt. Mit anderen Worten: Die Dichte dunkler Energie ist im Gegensatz zu gewöhnlicher und dunkler Materie an allen Punkten im Raum gleich.

Um Verwirrung zu vermeiden, stellen wir sofort fest, dass wir von einer materialistischen Vorstellung der Welt um uns herum ausgehen, was bedeutet, dass alles, was das Universum erfüllt, Materie ist. Wenn Materie strukturiert ist, nennt man sie Substanz, wenn nicht, wie zum Beispiel ein Feld, dann nennt man sie Energie. Die Substanz wiederum wird in gewöhnliche und dunkle Substanzen unterteilt, je nachdem, ob sie mit elektromagnetischer Strahlung interagiert. Zwar wird dunkle Materie nach der etablierten Tradition in der Kosmologie üblicherweise als „dunkle Materie“ bezeichnet. Energie wird ebenfalls in zwei Arten unterteilt. Eine davon ist einfach Strahlung, eine weitere Substanz, die das Universum erfüllt. Früher war es die Strahlung, die die Entwicklung unserer Welt bestimmte, doch heute ist ihre Rolle auf nahezu den absoluten Nullpunkt gesunken, genauer gesagt auf 3 Grad Kelvin – die Temperatur der sogenannten kosmischen Mikrowellenstrahlung, die aus allen Richtungen im Weltraum kommt . Dies ist ein Überbleibsel (Relikt) der heißen Jugend unseres Universums. Aber wir hätten vielleicht nie von einer anderen Art von Energie erfahren, die nicht mit Materie oder Strahlung interagiert und sich ausschließlich durch Gravitation manifestiert, wenn nicht die Forschung auf dem Gebiet der Kosmologie stattgefunden hätte.

Mit Strahlung und gewöhnlicher Materie, die aus Atomen besteht, beschäftigen wir uns ständig Alltagsleben. Wir wissen viel weniger über Dunkle Materie. Dennoch ist ziemlich sicher nachgewiesen, dass es sich bei seinem physikalischen Träger um bestimmte schwach wechselwirkende Teilchen handelt. Sogar einige Eigenschaften dieser Teilchen sind bekannt, zum Beispiel, dass sie Masse haben und sich viel langsamer als Licht bewegen. Sie wurden jedoch nie von künstlichen Detektoren erfasst.

Einsteins größter Fehler

Die Frage nach der Natur der dunklen Energie ist noch unklarer. Daher ist es, wie so oft in der Wissenschaft, besser, die Frage zu beantworten, indem man den Hintergrund der Frage beschreibt. Es beginnt im Jahr 1917, einem denkwürdigen Jahr für unser Land, als der Schöpfer der Allgemeinen Relativitätstheorie, Albert Einstein, eine Lösung für das Problem der Entwicklung des Universums veröffentlichte und das Konzept einer kosmologischen Konstante in die wissenschaftliche Zirkulation einführte. In seinen Gleichungen, die die Eigenschaften der Schwerkraft beschreiben, bezeichnete er sie mit dem griechischen Buchstaben „Lambda“ (Λ). So erhielt es seinen zweiten Namen – Lambda-Mitglied. Der Zweck der kosmologischen Konstante bestand darin, das Universum stationär, also unveränderlich und ewig, zu machen. Ohne den Lambda-Term sagten die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie voraus, dass das Universum instabil sein müsste, wie ein Ballon, der plötzlich seine gesamte Luft verloren hat. Einstein untersuchte ein solch instabiles Universum nicht ernsthaft, sondern beschränkte sich darauf, das Gleichgewicht durch die Einführung einer kosmologischen Konstante wiederherzustellen.

Später, in den Jahren 1922-1924, zeigte unser herausragender Landsmann Alexander Friedman jedoch, dass die kosmologische Konstante im Schicksal des Universums nicht die Rolle eines „Stabilisators“ spielen kann, und wagte es, instabile Modelle des Universums in Betracht zu ziehen. Dadurch gelang es ihm, damals noch nicht bekannte instationäre Lösungen der Einsteinschen Gleichungen zu finden, in denen sich das Universum als Ganzes zusammenzog oder ausdehnte.

In jenen Jahren war die Kosmologie eine rein spekulative Wissenschaft, die versuchte, physikalische Gleichungen rein theoretisch auf das Universum als Ganzes anzuwenden. Daher wurden Friedmans Lösungen zunächst – auch von Einstein selbst – als mathematische Übung wahrgenommen. Sie erinnerten sich daran, nachdem 1929 der Rückgang der Galaxien entdeckt wurde. Friedmanns Lösungen eigneten sich hervorragend zur Beschreibung von Beobachtungen und wurden zum wichtigsten und am weitesten verbreiteten kosmologischen Modell. Und Einstein nannte die kosmologische Konstante später seinen „größten wissenschaftlichen Fehler“.

Ferne Supernovae

Nach und nach wurde die Beobachtungsbasis der Kosmologie immer leistungsfähiger und die Forscher lernten, der Natur nicht nur Fragen zu stellen, sondern auch Antworten darauf zu erhalten. Und mit den neuen Ergebnissen wuchs auch die Zahl der Argumente für die tatsächliche Existenz von Einsteins „größtem wissenschaftlichen Fehler“. Sie begannen 1998 lautstark darüber zu sprechen, nachdem sie entfernte Supernovae beobachtet hatten, die darauf hindeuteten, dass sich die Expansion des Universums beschleunigte. Dies bedeutete, dass im Universum eine bestimmte abstoßende Kraft und damit eine entsprechende Energie wirkte, die in ihren Erscheinungsformen der Wirkung des Lambda-Terms in Einsteins Gleichungen ähnelte. Im Wesentlichen ist der Lambda-Term eine mathematische Beschreibung des einfachsten Spezialfalls der Dunklen Energie.

Erinnern wir uns daran, dass die kosmologische Expansion Beobachtungen zufolge dem Hubble-Gesetz folgt: Je größer der Abstand zwischen zwei Galaxien, desto schneller entfernen sie sich voneinander, und die durch die Rotverschiebung in den Spektren der Galaxien bestimmte Geschwindigkeit ist direkt proportional zur Entfernung . Aber bis vor kurzem wurde das Hubble-Gesetz nur bei relativ kleinen Entfernungen direkt getestet – solchen, die mehr oder weniger genau gemessen werden konnten. Wie sich das Universum in der fernen Vergangenheit, also über große Entfernungen, ausdehnte, ließ sich nur anhand indirekter Beobachtungsdaten beurteilen. Es war erst Ende des 20. Jahrhunderts möglich, das Hubble-Gesetz in großen Entfernungen direkt zu testen, als eine Möglichkeit auftauchte, die Entfernungen zu entfernten Galaxien von den in sie einbrechenden Supernovae zu bestimmen.

Eine Supernova ist ein Moment im Leben eines massereichen Sterns, in dem dieser eine katastrophale Explosion erlebt. Abhängig von den spezifischen Umständen, die der Katastrophe vorausgehen, gibt es Supernovae in unterschiedlicher Form. Bei Beobachtungen wird die Art des Flares durch das Spektrum und die Form der Lichtkurve bestimmt. Supernovae mit der Bezeichnung Ia entstehen bei der thermonuklearen Explosion eines Weißen Zwergs, dessen Masse einen Schwellenwert von ~1,4 Sonnenmassen überschritten hat, der als Chandrasekhar-Grenze bezeichnet wird. Solange die Masse des Weißen Zwergs unter einem Schwellenwert liegt, wird die Anziehungskraft des Sterns durch den Druck des entarteten Elektronengases ausgeglichen. Aber wenn in einem engen Doppelsternsystem Materie von einem benachbarten Stern auf ihn strömt, stellt sich heraus, dass der Elektronendruck zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht mehr ausreicht und der Stern explodiert, und Astronomen registrieren eine weitere Supernova-Explosion vom Typ Ia. Da die Schwellenmasse und der Grund, warum ein Weißer Zwerg explodiert, immer gleich sind, sollten solche Supernovae bei maximaler Helligkeit die gleiche und sehr hohe Leuchtkraft haben und als „Standardkerze“ zur Bestimmung intergalaktischer Entfernungen dienen können. Wenn wir Daten über viele solcher Supernovae sammeln und die Entfernungen zu ihnen mit den Rotverschiebungen der Galaxien vergleichen, in denen die Ausbrüche stattfanden, können wir feststellen, wie sich die Expansionsrate des Universums in der Vergangenheit verändert hat, und insbesondere das geeignete kosmologische Modell auswählen der entsprechende Wert des Lambda-Terms (dunkle Dichteenergie).

Trotz der Einfachheit und Klarheit dieser Methode stößt sie jedoch auf eine Reihe schwerwiegender Schwierigkeiten. Erstens macht das Fehlen einer detaillierten Theorie der Explosion von Supernovae vom Typ Ia ihren Status als Standardkerze prekär. Die Art der Explosion und damit die Leuchtkraft der Supernova können durch die Rotationsgeschwindigkeit des Weißen Zwergs beeinflusst werden. chemische Zusammensetzung sein Kern, die Menge an Wasserstoff und Helium, die von einem benachbarten Stern auf ihn geflossen ist. Wie sich das alles auf die Lichtkurven auswirkt, ist noch nicht sicher bekannt. Schließlich flackern Supernovae nicht im leeren Weltraum auf, sondern in Galaxien, und das Licht des Flares kann beispielsweise durch eine zufällige Wolke aus Gas und Staub, die auf dem Weg zur Erde angetroffen wird, geschwächt werden. All dies lässt Zweifel an der Möglichkeit aufkommen, Supernovae als Standardkerzen zu verwenden. Und wenn dies das einzige Argument für die Existenz dunkler Energie wäre, wäre dieser Artikel kaum geschrieben worden. Während also das „Supernova-Argument“ eine breite Debatte über dunkle Energie (und sogar die Entstehung des Begriffs selbst) ausgelöst hat, beruht das Vertrauen der Kosmologen in ihre Existenz auf anderen, überzeugenderen Argumenten. Leider sind sie nicht so einfach und können daher nur ganz allgemein beschrieben werden.

Eine kurze Geschichte der Zeiten

Von moderne Ideen, muss die Geburt des Universums anhand der noch nicht geschaffenen Quantentheorie der Schwerkraft beschrieben werden. Das Konzept des „Alters des Universums“ ist für Zeitpunkte von nicht früher als 10–43 Sekunden sinnvoll. Auf kleineren Maßstäben ist es nicht mehr möglich, von dem linearen Zeitfluss zu sprechen, den wir gewohnt sind. Auch die topologischen Eigenschaften des Raumes werden instabil. Anscheinend ist die Raumzeit im kleinen Maßstab mit mikroskopisch kleinen „Wurmlöchern“ gefüllt – einer Art Tunnel, die getrennte Regionen des Universums verbinden. Es ist jedoch auch unmöglich, über Entfernungen oder die Reihenfolge der Ereignisse zu sprechen. In der wissenschaftlichen Literatur wird ein solcher Zustand der Raumzeit mit schwankender Topologie als Quantenschaum bezeichnet. Aus noch unbekannten Gründen, vielleicht aufgrund von Quantenfluktuationen, entsteht im Raum des Universums ein physikalisches Feld, das nach etwa 10–35 Sekunden dazu führt, dass sich das Universum mit kolossaler Beschleunigung ausdehnt. Dieser Vorgang wird Inflation genannt, und das Feld, das ihn verursacht, wird Inflaton genannt. Anders als in der Wirtschaft, wo Inflation ein notwendiges Übel ist, das bekämpft werden muss, ist Inflation, also die exponentiell schnelle Expansion des Universums, in der Kosmologie eine gute Sache. Ihr verdanken wir, dass das Universum gewonnen hat grosse Grösse und flache Geometrie. Am Ende dieser kurzen Epoche beschleunigter Expansion entsteht aus der im Inflaton gespeicherten Energie die Materie, die wir kennen: eine Mischung aus Strahlung und massiven Teilchen, die auf enorme Temperaturen erhitzt werden, sowie dunkler Energie, die vor ihrem Hintergrund kaum wahrnehmbar ist. Wir können sagen, dass dies der Urknall ist. Kosmologen bezeichnen diesen Moment als den Beginn einer von Strahlung dominierten Ära in der Entwicklung des Universums, da der größte Teil der Energie zu diesem Zeitpunkt aus Strahlung stammt. Die Expansion des Universums geht jedoch weiter (wenn auch ohne Beschleunigung) und wirkt sich auf unterschiedliche Weise auf die Hauptmaterietypen aus. Die winzige Dichte der Dunklen Energie ändert sich im Laufe der Zeit nicht, die Dichte der Materie nimmt umgekehrt proportional zum Volumen des Universums ab und die Strahlungsdichte nimmt noch schneller ab. Infolgedessen wird nach 300.000 Jahren die vorherrschende Form der Materie im Universum zur Materie, von der der größte Teil dunkle Materie ist. Von diesem Moment an nehmen die Störungen in der Dichte der Materie, die im Stadium der Strahlungsdominanz kaum schwelen, schnell genug zu, um zur Bildung von Galaxien, Sternen und Planeten zu führen, die für die Menschheit so notwendig sind. Die treibende Kraft dieses Prozesses ist die Gravitationsinstabilität, die zur Ansammlung von Materie führt. Seit dem Zerfall des Inflatons blieben kaum wahrnehmbare Inhomogenitäten bestehen, aber solange Strahlung das Universum dominierte, verhinderte sie die Entwicklung von Instabilität.
Jetzt beginnt die Dunkle Materie eine große Rolle zu spielen. Unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft stoppen Regionen erhöhter Dichte ihre Expansion und beginnen sich zusammenzuziehen, wodurch aus dunkler Materie gravitativ gebundene Systeme, sogenannte Halos, entstehen. Im Gravitationsfeld des Universums bilden sich „Löcher“, in die gewöhnliche Materie strömt. Es sammelt sich im Halo und bildet Galaxien und ihre Cluster. Dieser Prozess der Strukturbildung begann vor mehr als 10 Milliarden Jahren und wuchs weiter, bis der letzte Wendepunkt in der Entwicklung des Universums eintrat. Nach 7 Milliarden Jahren (etwa der Hälfte des heutigen Alters des Universums) wurde die Dichte der Materie, die aufgrund der kosmologischen Expansion weiter abnahm, geringer als die Dichte der Dunklen Energie. Damit endete die Ära der Vorherrschaft der Materie und nun kontrolliert dunkle Energie die Entwicklung des Universums. Was auch immer seine physikalische Natur sein mag, es manifestiert sich darin, dass die kosmologische Expansion erneut, wie im Zeitalter der Inflation, zu beschleunigen beginnt, nur dieses Mal sehr langsam. Aber selbst das reicht aus, um die Bildung von Strukturen zu verlangsamen, und in Zukunft sollte sie ganz aufhören: Nicht ausreichend dichte Formationen werden durch die beschleunigte Expansion des Universums aufgelöst. Das Zeitfenster, in dem die Gravitationsinstabilität wirkt und Galaxien entstehen, wird sich in mehreren zehn Milliarden Jahren schließen. Die weitere Entwicklung des Universums hängt von der Natur der dunklen Energie ab. Wenn dies eine kosmologische Konstante ist, wird die beschleunigte Expansion des Universums für immer andauern. Wenn dunkle Energie ein extrem schwaches Skalarfeld ist, wird sich die Expansion des Universums verlangsamen, nachdem sie einen Gleichgewichtszustand erreicht hat, und möglicherweise durch Kompression ersetzt werden. Auch wenn die physikalische Natur der Dunklen Energie unbekannt ist, handelt es sich dabei lediglich um spekulative Hypothesen. Daher kann nur eines mit Sicherheit gesagt werden: Die beschleunigte Expansion des Universums wird mehrere zehn Milliarden Jahre andauern. Während dieser Zeit wird unsere kosmische Heimat – die Milchstraßengalaxie – mit ihrem Nachbarn – dem Andromedanebel (und den meisten kleineren Satellitengalaxien, die Teil der Lokalen Gruppe sind) verschmelzen. Alle anderen Galaxien werden weit wegfliegen, so dass viele von ihnen selbst mit dem stärksten Teleskop nicht sichtbar sind. Was die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung betrifft, die uns so viel bringt wichtige Informationenüber die Struktur des Universums, dann wird seine Temperatur fast auf Null sinken und diese Informationsquelle geht verloren. Die Menschheit wird Robinson auf der Insel bleiben, mit der vergänglichen Aussicht, es mindestens am Freitag zu bekommen.

Großräumige Struktur des Universums

Kosmologen verfügen über zwei Hauptquellen für Wissen über die großräumige Struktur des Universums. Dies ist zunächst einmal die Verteilung der leuchtenden Materie, also der Galaxien, im uns umgebenden Raum. Eine dreidimensionale Karte zeigt, zu welchen Strukturen – Gruppen, Haufen, Superhaufen – Galaxien zusammengefasst sind und welche charakteristischen Größen, Formen und Zahlen diese Formationen haben. Dies macht deutlich, wie die Materie im modernen Universum verteilt ist.

Eine weitere Informationsquelle ist die Verteilung der Intensität der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung über die Himmelssphäre. Eine Karte des Himmels im Mikrowellenbereich enthält Informationen über die Verteilung der Dichteinhomogenitäten im frühen Universum, als es etwa 300.000 Jahre alt war – zu diesem Zeitpunkt wurde Materie für Strahlung transparent. Die Winkelabstände zwischen den Punkten auf der Mikrowellenkarte zeigen die Größe der Unregelmäßigkeiten zu diesem Zeitpunkt an, und die Helligkeitsunterschiede (übrigens sind sie sehr gering, in der Größenordnung von einem Hundertstel Prozent) zeigen den Grad der Verdichtung an der Embryonen künftiger Galaxienhaufen. Wir haben also sozusagen zwei Zeitscheiben: die Struktur des Universums zum Zeitpunkt 300.000 und 14 Milliarden Jahre nach dem Urknall.

Die Theorie besagt, dass die Eigenschaften der beobachteten Strukturen stark davon abhängen, wie viel Materie im Universum Materie ist (normal und dunkel). Berechnungen auf Basis von Beobachtungsdaten zeigen, dass sein Anteil heute etwa 30 % beträgt (davon sind nur 5 % gewöhnliche Materie, die aus Atomen besteht). Das bedeutet, dass die restlichen 70 % Materie sind, die in keiner Struktur enthalten ist, also dunkle Energie. Dieses Argument ist nicht so transparent, da dahinter komplexe Berechnungen stehen, die die Entstehung von Strukturen im Universum beschreiben. Es ist jedoch tatsächlich leistungsfähiger. Dies lässt sich mit dieser Analogie veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, dass eine außerirdische Zivilisation versucht, intelligentes Leben auf der Erde zu entdecken. Eine Gruppe von Forschern bemerkte starke Radioemissionen, die von unserem Planeten ausgehen und deren Frequenz und Intensität sich periodisch ändert, und führt dies auf die Arbeit elektronischer Geräte zurück. Eine andere Gruppe schickte eine Sonde zur Erde und fotografierte Felderquadrate, Straßenlinien und Stadtknotenpunkte. Das erste Argument ist natürlich einfacher, aber das zweite ist überzeugender.

Wenn wir diese Analogie fortsetzen, können wir sagen, dass die Beobachtung der Bildung der aufgeführten Strukturen ein noch klarerer Beweis für intelligentes Leben wäre. Natürlich ist es für den Menschen noch nicht möglich, in Echtzeit zu beobachten, wie Galaxienhaufen entstehen. Dennoch lässt sich feststellen, wie sich ihre Zahl im Laufe der Entwicklung des Universums verändert hat. Tatsache ist, dass die Beobachtung von Objekten in großen Entfernungen aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit einem Blick in die Vergangenheit gleichkommt.

Die Bildungsgeschwindigkeit von Galaxien und ihren Clustern wird durch die Wachstumsrate von Dichtestörungen bestimmt, die wiederum von den Parametern des kosmologischen Modells abhängt, insbesondere vom Verhältnis von Materie und dunkler Energie. In einem Universum mit einem großen Anteil dunkler Energie nehmen Störungen langsam zu, was bedeutet, dass es heute nur geringfügig mehr Galaxienhaufen als in der Vergangenheit geben dürfte und ihre Zahl mit der Entfernung langsam abnimmt. Im Gegensatz dazu nimmt in einem Universum ohne dunkle Energie die Anzahl der Cluster ziemlich schnell ab, je tiefer wir in die Vergangenheit vordringen. Durch die Bestimmung der Entstehungsrate neuer Galaxienhaufen aus Beobachtungen ist es möglich, eine unabhängige Schätzung der Dichte dunkler Energie zu erhalten.

Es gibt weitere unabhängige Beobachtungsargumente, die die Existenz eines homogenen Mediums bestätigen, das einen entscheidenden Einfluss auf die Struktur und Entwicklung des Universums hat. Wir können sagen, dass die Aussage über die Existenz dunkler Energie das Ergebnis der Entwicklung der gesamten beobachtenden Kosmologie des 20. Jahrhunderts war.

Vakuum und andere Modelle

Während die meisten Kosmologen nicht mehr an der Existenz dunkler Energie zweifeln, herrscht noch immer Unklarheit über ihre Natur. Es ist jedoch nicht das erste Mal, dass sich Physiker in einer solchen Situation befinden. Viele neue Theorien beginnen mit der Phänomenologie, also einer formalen mathematischen Beschreibung eines bestimmten Effekts, und intuitive Erklärungen erscheinen viel später. Für heute: Beschreiben physikalische Eigenschaften Dunkle Energie, Kosmologen sprechen Worte aus, die für Uneingeweihte eher wie ein Zauberspruch sind: Dies ist ein Medium, dessen Druck der Größe nach der Energiedichte entspricht, aber ein entgegengesetztes Vorzeichen hat. Setzt man diesen seltsamen Zusammenhang in Einsteins Gleichung aus der allgemeinen Relativitätstheorie ein, stellt sich heraus, dass ein solches Medium durch die Schwerkraft von sich selbst abgestoßen wird und sich daher schnell ausdehnt und sich niemals zu Klumpen zusammenballt.

Das soll nicht heißen, dass wir uns oft mit solchen Angelegenheiten befassen. Doch genau so beschreiben Physiker das Vakuum schon seit vielen Jahren. Nach modernen Vorstellungen existieren Elementarteilchen nicht im leeren Raum, sondern in einer besonderen Umgebung – einem physikalischen Vakuum, das ihre Eigenschaften genau bestimmt. Dieses Medium kann sich in verschiedenen Zuständen befinden, sich in der Dichte der gespeicherten Energie unterscheiden und in verschiedenen Vakuumtypen verhalten sich Elementarteilchen unterschiedlich.

Unser gewöhnliches Vakuum hat die geringste Energie. Die Existenz eines instabilen, energiereicheren Vakuums, das der sogenannten elektroschwachen Wechselwirkung entspricht, wurde experimentell entdeckt. Es beginnt bei Teilchenenergien über 100 Gigaelektronenvolt aufzutreten – das liegt nur eine Größenordnung unter der Leistungsgrenze moderner Beschleuniger. Theoretisch werden noch energiereichere Vakuumtypen vorhergesagt. Es kann davon ausgegangen werden, dass unser gewöhnliches Vakuum keine Energiedichte von Null hat, sondern nur eine, die den gewünschten Wert des Lambda-Terms in Einsteins Gleichung ergibt.

Allerdings ist dies gute Idee Die Idee, dem Vakuum dunkle Energie zuzuschreiben, begeistert Forscher, die an der Schnittstelle von Teilchenphysik und Kosmologie arbeiten, nicht. Tatsache ist, dass dieser Vakuumtyp einer Teilchenenergie von nur etwa einem Tausendstel Elektronenvolt entsprechen sollte. Aber dieser Energiebereich, der an der Grenze zwischen Infrarot- und Radiostrahlung liegt, wurde von Physikern schon lange umfassend untersucht, und es wurde dort nichts Ungewöhnliches gefunden.

Daher neigen Forscher zu der Annahme, dass dunkle Energie eine Manifestation eines neuen ultraschwachen Feldes ist, das unter Laborbedingungen noch nicht entdeckt wurde. Diese Idee ähnelt der, die der modernen inflationären Kosmologie zugrunde liegt. Auch dort erfolgt die ultraschnelle Expansion des jungen Universums unter dem Einfluss des sogenannten Skalarfeldes, nur ist dessen Energiedichte viel höher als die, die für die aktuelle langsame Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich ist. Man kann davon ausgehen, dass das Feld, das der Träger der Dunklen Energie ist, als Relikt des Urknalls erhalten blieb und sich lange Zeit im „Winterschlaf“ befand, während zunächst die Strahlung und dann die Dunkle Materie dominierten.

Unterdruck und Gravitationsabstoßung

Bei der Beschreibung dunkler Energie gehen Kosmologen davon aus, dass ihre Haupteigenschaft der Unterdruck ist. Dies führt zum Auftreten abstoßender Gravitationskräfte, die Laien manchmal als Antigravitation bezeichnen. Diese Aussage enthält gleich zwei Paradoxien. Schauen wir sie uns der Reihe nach an.

Wie kann Druck negativ sein? Es ist bekannt, dass der Druck einer gewöhnlichen Substanz mit der Bewegung von Molekülen zusammenhängt. Beim Auftreffen auf die Gefäßwand übertragen die Gasmoleküle ihren Impuls auf das Gefäß, drücken es weg und üben Druck auf es aus. Freie Teilchen können keinen Unterdruck erzeugen, sie können nicht „die Decke über sich ziehen“, aber in einem festen Körper ist dies durchaus möglich. Eine gute Analogie für den Unterdruck dunkler Energie ist die Hülle Ballon. Jeder Quadratzentimeter davon wird gedehnt und neigt dazu, zu schrumpfen. Wenn irgendwo in der Schale eine Lücke auftauchte, schrumpfte sie sofort zu einem kleinen Gummilappen zusammen. Während es aber zu keinem Bruch kommt, verteilt sich die negative Spannung gleichmäßig über die gesamte Oberfläche. Darüber hinaus wird das Gummi beim Aufblasen des Ballons dünner und die in seiner Spannung gespeicherte Energie nimmt zu. Die Dichte von Materie und dunkler Energie verhält sich ähnlich, wenn sich das Universum ausdehnt.

Warum beschleunigt Unterdruck die Expansion? Es scheint, dass sich das Universum unter dem Einfluss des negativen Drucks der dunklen Energie zusammenziehen oder zumindest seine Expansion verlangsamen sollte, die im Moment des Urknalls begann. Aber das Gegenteil ist der Fall, denn der negative Druck der dunklen Energie ist zu... groß.

Tatsache ist, dass die Schwerkraft nach der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht nur von der Masse (genauer gesagt der Energiedichte), sondern auch vom Druck abhängt. Je größer der Druck, desto stärker die Schwerkraft. Und je größer der Unterdruck, desto schwächer! Zwar sind die in Laboratorien und sogar im Mittelpunkt der Erde und der Sonne erreichbaren Drücke zu niedrig, als dass ihre Wirkung auf die Schwerkraft spürbar wäre. Aber der negative Druck der dunklen Energie ist im Gegenteil so groß, dass er die Anziehungskraft sowohl seiner eigenen Masse als auch der Masse aller anderen Materie übersteigt. Es stellt sich heraus, dass sich eine massive Substanz mit sehr starkem Unterdruck paradoxerweise nicht komprimiert, sondern im Gegenteil unter dem Einfluss ihrer eigenen Schwerkraft anschwillt. Stellen Sie sich einen totalitären Staat vor, der in dem Bemühen, seine Sicherheit zu gewährleisten, die Freiheit so stark einschränkt, dass Bürger massenhaft aus dem Land fliehen, rebellieren und schließlich den Staat selbst zerstören. Warum führen übermäßige Anstrengungen zur Stärkung des Staates zu seiner Zerstörung? Das liegt in der Natur der Menschen – sie widersetzen sich der Unterdrückung. Warum führt extremer Unterdruck zu einer Expansion statt einer Kompression? Dies sind die Eigenschaften der Schwerkraft, ausgedrückt durch Einsteins Gleichung. Natürlich ist eine Analogie keine Erklärung, aber sie hilft, sich mit den Paradoxien der dunklen Energie vertraut zu machen.

Wie wiegt man die Struktur?

Dunkle Energie ist der wichtigste Beweis für die Existenz von Phänomenen, die von der modernen Physik nicht beschrieben werden. Daher ist eine detaillierte Untersuchung seiner Eigenschaften die wichtigste Aufgabe der beobachtenden Kosmologie. Um die physikalische Natur der Dunklen Energie herauszufinden, muss zunächst möglichst genau untersucht werden, wie sich der Expansionsmodus des Universums in der Vergangenheit verändert hat. Man kann versuchen, die Abhängigkeit der Ausdehnungsgeschwindigkeit vom Abstand direkt zu messen. Aufgrund des Mangels an zuverlässigen Methoden in der Astronomie zur Bestimmung extragalaktischer Entfernungen ist es jedoch nahezu unmöglich, auf diesem Weg die erforderliche Genauigkeit zu erreichen. Aber es gibt andere, vielversprechendere Methoden zur Messung dunkler Energie, die eine logische Erweiterung des strukturellen Arguments für ihre Existenz darstellen.

Wie bereits erwähnt, hängt die Geschwindigkeit der Strukturbildung stark von der Dichte der dunklen Energie ab. Es selbst kann sich nicht anhäufen und Strukturen bilden und verhindert die gravitative Ansammlung dunkler und gewöhnlicher Materie. Dies ist übrigens der Grund, warum sich in unserer Zeit jene Materieklumpen, die noch nicht zu schrumpfen begonnen haben, allmählich im Meer der dunklen Energie „auflösen“ und keine gegenseitige Anziehung mehr „spüren“. Die Menschheit erlebt somit die höchste Strukturbildungsrate in der Geschichte des Universums. In Zukunft wird es nur noch abnehmen.

Um zu bestimmen, wie sich die Dichte der Dunklen Energie im Laufe der Zeit verändert hat, müssen Sie lernen, die Struktur des Universums – Galaxien und ihre Cluster – bei verschiedenen Rotverschiebungen zu „gewichten“. Dafür gibt es viele Möglichkeiten, denn die Messobjekte – Galaxien – sind gut untersucht und auch aus großer Entfernung sichtbar. Der einfachste Ansatz besteht darin, die Galaxien und ihre Strukturen anhand der oben erwähnten dreidimensionalen Karte der räumlichen Verteilung von Galaxien sorgfältig zu zählen. Bei einer anderen Methode wird die Masse einer Struktur aus dem von ihr erzeugten inhomogenen Gravitationsfeld geschätzt. Wenn Licht durch die Struktur dringt, wird es durch seine Schwerkraft abgelenkt, wodurch die Bilder entfernter Galaxien, die wir sehen, verzerrt werden. Dieser Effekt wird Gravitationslinseneffekt genannt. Durch die Messung der resultierenden Verzerrungen ist es möglich, die Struktur entlang des Lichtwegs zu bestimmen (zu gewichten). Erste erfolgreiche Beobachtungen konnten mit dieser Methode bereits gemacht werden und für die Zukunft sind Weltraumexperimente geplant – schließlich gilt es, eine maximale Messgenauigkeit zu erreichen.

Wir leben also in einer Welt, deren Expansionsdynamik von einer uns unbekannten Form von Materie gesteuert wird. Und das einzige verlässliche Wissen darüber ist neben der Tatsache seiner Existenz die vakuumähnliche Zustandsgleichung, derselbe eigentümliche Zusammenhang zwischen Energiedichte und Druck. Wir wissen noch nicht, ob und wie sich die Art dieser Beziehung im Laufe der Zeit verändert. Das bedeutet, dass alle Diskussionen über die Zukunft des Universums im Wesentlichen spekulativ sind und größtenteils auf den ästhetischen Ansichten ihrer Autoren basieren. Aber wir sind in eine Ära präziser Kosmologie eingetreten, die auf hochtechnologischen Beobachtungsinstrumenten und fortschrittlichen statistischen Methoden zur Datenverarbeitung basiert. Wenn sich die Astronomie im gleichen Tempo wie heute weiterentwickelt, wird das Rätsel der Dunklen Energie von der heutigen Forschergeneration gelöst werden.

Physiker lieben Schlagworte. Seit einiger Zeit ist es bei ihnen üblich, neu entdeckten Entitäten „unwissenschaftliche“ Namen zu geben. Nehmen wir zum Beispiel Strange- und Charm-Quarks. Dunkle Energie ist also kein Synonym für dunkle Kräfte, sondern ein Begriff, der zur Bezeichnung einiger ungewöhnlicher Eigenschaften unseres Universums geprägt wurde.

Die Entdeckung der Dunklen Energie erfolgte mit astronomischen Methoden und kam für die meisten Physiker völlig überraschend. Dunkle Energie ist vielleicht das größte Geheimnis moderne Naturwissenschaft. Es ist wahrscheinlich, dass seine Lösung zum wichtigsten Ereignis in der Physik des 21. Jahrhunderts wird, vergleichbar mit den größten Entdeckungen der jüngeren Vergangenheit, beispielsweise der Entdeckung des Phänomens der Expansion des Universums.

Es ist sogar möglich, dass es zu einer so radikalen Entwicklung der Theorie kommt, dass sie mit der Entstehung der Allgemeinen Relativitätstheorie, der Entdeckung der Krümmung der Raumzeit und dem Zusammenhang dieser Krümmung mit den Gravitationskräften gleichgesetzt wird. Wir stehen jetzt am Anfang der Reise und das Gespräch über dunkle Energie ist eine Gelegenheit, einen Blick in das „Labor“ der Physiker zu werfen, während ihre Arbeit in vollem Gange ist.

Eine kleine Geschichte

Die Tatsache, dass in unserem Universum „etwas nicht stimmt“, wurde den Kosmologen Anfang der 1990er Jahre klar. Zur Verdeutlichung ist es nützlich, sich an das Expansionsgesetz des Universums zu erinnern. Galaxien, die weit voneinander entfernt sind, zerstreuen sich, und je weiter die Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich von uns. Quantitativ wird die Expansionsrate durch den Hubble-Parameter charakterisiert. In den frühen 1990er Jahren war der Wert des Hubble-Parameters im modernen Universum recht gut gemessen: Die Expansionsrate des Universums ist heute so groß, dass Galaxien, die sich in einer Entfernung von 1 Milliarde Lichtjahren von der Erde befinden, mit einer Geschwindigkeit von uns wegfliegen von 24.000 km/s.

Beachten Sie, dass der Hubble-Parameter von der Zeit abhängt: In der fernen Vergangenheit expandierte das Universum viel schneller als heute, und dementsprechend war der Hubble-Parameter viel größer.

In der modernen Gravitationstheorie – der Allgemeinen Relativitätstheorie – ist der Hubble-Parameter eindeutig mit zwei anderen Eigenschaften des Universums verbunden: erstens mit der Gesamtenergiedichte aller Formen von Materie, Vakuum usw. und zweitens mit der Krümmung des dreidimensionalen Raumes. Unser dreidimensionaler Raum muss im Allgemeinen nicht euklidisch sein; seine Geometrie kann beispielsweise der Geometrie einer Kugel ähneln; Die Winkelsumme eines Dreiecks darf nicht 180° betragen. In diesem Fall spielt die „Elastizität“ des Weltraums im Hinblick auf die Expansion des Universums die gleiche Rolle wie die Energiedichte.

In den frühen 1990er Jahren konnte auch die Energiedichte „normaler“ Materie im modernen Universum mit guter Genauigkeit geschätzt werden. Es ist „normal“ in dem Sinne, dass es die gleichen Gravitationswechselwirkungen erfährt wie gewöhnliche Materie. Erschwerend kommt hinzu, dass es sich bei der „normalen“ Materie größtenteils um sogenannte Dunkle Materie handelt. Dunkle Materie besteht offenbar aus neuen, noch nicht in terrestrischen Experimenten entdeckten Elementarteilchen, die äußerst schwach mit Materie wechselwirken (schwächer als Neutrinos!), aber gleichermaßen eine gravitative Wechselwirkung erfahren. Es war genau die Wirkung der Schwerkraft, die es entdeckte. Darüber hinaus ermöglichten Messungen der Gravitationskräfte in Galaxienhaufen die Bestimmung der Masse der Dunklen Materie in ihnen und letztendlich im Universum als Ganzes. Damit wurde die Gesamtenergiedichte „normaler“ Materie ermittelt (für sie gilt die berühmte Formel). E = mс 2).

Und was passierte? Es stellte sich heraus, dass „normale“ Materie eindeutig nicht ausreicht, um die gemessene Expansionsrate des Universums zu erklären. Darüber hinaus besteht ein gravierender Mangel: Der „Mangel“ betrug etwa 2/3 (nach modernen Schätzungen etwa 70 %). Für diese Tatsache gab es zwei mögliche Erklärungen: Entweder ist der dreidimensionale Raum gekrümmt und der fehlende Beitrag zum Hubble-Parameter hängt mit seiner „Elastizität“ zusammen, oder er ist vorhanden neue Form Energie, die später als „dunkle Energie“ bekannt wurde.

Aus theoretischer Sicht erschienen beide Möglichkeiten – die nichteuklidische Natur des Weltraums und die dunkle Energie – äußerst unglaubwürdig.

Beginnen wir mit der Krümmung des dreidimensionalen Raums. Wenn sich das Universum ausdehnt, wird der Raum gleichmäßiger und seine Krümmung nimmt ab. Wenn die Krümmung jetzt von Null verschieden ist, dann war sie früher größer als heute. Allerdings nimmt die Energiedichte (Massendichte) der Materie noch schneller ab, wenn sich das Universum ausdehnt. Das bedeutet, dass in der Vergangenheit der relative Beitrag der Krümmung zum Hubble-Parameter sehr gering war und der Hauptbeitrag – mit großem Abstand – der Beitrag der Materie war. Damit die Ausdehnung des Universums heute zu 70 % durch die Krümmung gewährleistet ist, ist es notwendig, den Wert des Krümmungsradius des Raums in der Vergangenheit mit fantastischer Genauigkeit „anzupassen“ – eine Sekunde nach dem Urknall hätte es so sein sollen entspricht einer Milliarde Radien des damals beobachteten Teils des Universums, nicht mehr und nicht weniger! Ohne eine solche Anpassung wäre die Krümmung heute entweder um viele Größenordnungen größer oder um viele Größenordnungen kleiner als zur Erklärung der Beobachtungen erforderlich.

Dieses Problem war eine der Hauptüberlegungen, die zur Idee der inflationären Phase der Entwicklung des Universums führten. Gemäß der Inflationstheorie, die von Alexey Starobinsky und unabhängig davon von Alan Guth vorgeschlagen und durch die Arbeit von Andrei Linde, Andreas Albrecht und Paul Steinhardt geprägt wurde, durchlief das Universum in einem sehr frühen Stadium seiner Entwicklung eine Phase extrem schneller, exponentielle Expansion (Inflation, Inflation). Am Ende dieser Phase erwärmte sich das Universum auf eine sehr hohe Temperatur hohe Temperatur, und die Ära des heißen Urknalls begann.

Obwohl die Inflationsphase höchstwahrscheinlich nur den Bruchteil einer Sekunde dauerte, dehnte sich das Universum während dieser Zeit über Dutzende oder Hunderte von Größenordnungen (oder viel mehr) aus und die Raumkrümmung sank auf nahezu Null. Somit führt die Inflationstheorie zu der Vorhersage, dass der Raum des modernen Universums mit der höchste Grad Euklidische Präzision. Dies widerspricht natürlich der Hypothese, dass sich das Universum heute aufgrund der Krümmung um 70 % ausdehnt.

Die Wirkung der Dunklen Energie ähnelt der kosmologischen Inflation der ersten Momente des Universums, nur in einem völlig anderen Maßstab – unbedeutende Energiedichte, langsame Beschleunigung. Dieser kleine Maßstab großes Geheimnis Es ist völlig unklar, wie dunkle Energie mit der uns bekannten Physik von Teilchen und Feldern zusammenhängen kann. Wir werden später auf dieses Rätsel zurückkommen.

Im Dilemma, ob dunkle Energie oder Krümmung für die fehlenden 70 % der Dichte des Universums verantwortlich ist, erfreut sich Letzteres seit langem größerer Beliebtheit. Der Durchbruch gelang 1998–1999, als zwei US-Teams, eines unter der Leitung von Adam Reiss und Brian Schmidt und das andere unter Saul Perlmutter, über Beobachtungen entfernter Supernovae vom Typ Ia berichteten. Aus diesen Beobachtungen folgte, dass sich unser Universum immer schneller ausdehnt. Diese Eigenschaft steht völlig im Einklang mit der Idee der Dunklen Energie, während die Krümmung des Raumes nicht zu einer beschleunigten Expansion führt.

Ein paar Worte zu Supernovae vom Typ Ia. Hierbei handelt es sich um Weiße Zwerge, die, angetrieben durch Materie eines Begleitsterns, die sogenannte Chandrasekhar-Grenze erreichten, danach ihre Stabilität verloren, explodierten und zu Neutronensternen kollabierten. Die Chandrasekhar-Grenze ist für alle Weißen Zwerge gleich; die Weißen Zwerge selbst sind einander ähnlich, daher sind die Explosionen in gewissem Sinne gleich. Mit anderen Worten, Supernovae vom Typ Ia sind „Standardkerzen“: Wenn Sie die absolute Leuchtkraft kennen und die scheinbare Helligkeit (den Energiefluss zur Erde) messen, können Sie die Entfernung zu jeder von ihnen bestimmen. Gleichzeitig ist es möglich, die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sich jede der Supernovae von uns entfernt (mithilfe des Doppler-Effekts).

Supernovae sind sehr helle Objekte und können aus großer Entfernung gesehen werden. Mit anderen Worten, die entfernten Supernovae, die wir jetzt beobachten, explodierten vor langer Zeit, und daher wurde ihre Fluchtgeschwindigkeit durch die damalige Expansionsrate des Universums in der fernen Vergangenheit bestimmt. Beobachtungen von Supernovae vom Typ Ia ermöglichen es daher, die Expansionsrate relativ zu bestimmen frühe Stufen Entwicklung des Universums (vor 8 Milliarden Jahren und sogar etwas früher) und verfolgen Sie die Abhängigkeit dieser Geschwindigkeit von der Zeit. Dadurch konnte festgestellt werden, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt.

Der endgültige Beweis dafür, dass die Krümmung des dreidimensionalen Raums des Universums gering ist, wurde durch die Untersuchung der Karte der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung erhalten.

Während der Ära der Reliktphotonenemission war das Universum nicht gerade homogen. Die damals existierenden Inhomogenitäten waren die Embryonen von Strukturen – die ersten Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen. Plasmainhomogenitäten waren damals Schallwellen. Es ist wichtig, dass das Universum zu dieser Zeit eine charakteristische Entfernungsskala hatte. Schallwellen mit großer Länge und dementsprechend langer Periode hatten im Zeitalter der Strahlung von Reliktphotonen noch keine Zeit, sich zu entwickeln, und Wellen mit der „richtigen“ Länge hatten es gerade erst geschafft, in die Phase maximaler Amplitude zu gelangen. Diese „richtige“ Wellenlänge stellt den „Standardlineal“ der Ära der CMB-Photonenemission dar; Seine Größe wird in der Theorie des heißen Urknalls zuverlässig berechnet und erscheint in der CMB-Karte.

An der Wende vom 20. zum 21. Jahrhundert wurde in den Experimenten BOOMERanG und MAXIMA erstmals der Winkel gemessen, in dem das gerade besprochene „Standardlineal“ sichtbar ist. Es ist klar, dass dieser Winkel von der Raumgeometrie abhängt: Wenn die Winkelsumme eines Dreiecks 180° überschreitet, ist dieser Winkel größer. Als Ergebnis wurde festgestellt, dass unser dreidimensionaler Raum mit einem guten Maß an Genauigkeit euklidisch ist. Nachfolgende Messungen bestätigten diese Schlussfolgerung. Aus Sicht der Expansion des Universums bedeuten die vorliegenden Ergebnisse, dass die Raumkrümmung einen vernachlässigbaren Beitrag (weniger als 1 %) zum Hubble-Parameter leistet. Die Expansionsrate des Universums beträgt aufgrund der dunklen Energie derzeit 70 %.

Sie wissen nichts mehr über sie

Welche Eigenschaften der Dunklen Energie sind derzeit bekannt? Es gibt nur wenige solcher Eigenschaften, nur drei. Doch was bekannt ist, kann zu Recht für Erstaunen sorgen.

Das erste ist die Tatsache, dass dunkle Energie im Gegensatz zu „normaler“ Materie keine Cluster bildet, sich nicht in Objekten wie Galaxien oder deren Clustern sammelt – sie „verteilt“ sich gleichmäßig im gesamten Universum. Diese Aussage ist, wie jede andere, die auf Beobachtungen oder Experimenten basiert, mit einer gewissen Genauigkeit wahr. Aus Beobachtungen geht jedoch hervor, dass Abweichungen von der Homogenität, sofern vorhanden, von sehr geringem Ausmaß sein sollten.

Über die zweite Eigenschaft haben wir bereits gesprochen: Dunkle Energie bewirkt, dass sich das Universum mit Beschleunigung ausdehnt. Dadurch unterscheidet sich dunkle Energie auch deutlich von normaler Materie, was die Expansion verlangsamt. Die beiden beschriebenen Eigenschaften deuten darauf hin, dass dunkle Energie in gewissem Sinne Antigravitation erfährt; für sie gibt es Gravitationsabstoßung statt Gravitationsanziehung. Gebiete mit hoher Dichte normal Materie sammelt aufgrund der Schwerkraftanziehung Materie aus dem umgebenden Raum, diese Bereiche selbst werden komprimiert und bilden dichte Klumpen. Bei einem Antigravitationsstoff ist das Gegenteil der Fall: Bereiche mit erhöhter Dichte (sofern vorhanden) werden aufgrund der Gravitationsabstoßung gedehnt, Inhomogenitäten werden geglättet und es bilden sich keine Klumpen.

Die dritte Eigenschaft der Dunklen Energie besteht darin, dass ihre Dichte nicht von der Zeit abhängt. Auch überraschend: Das Universum dehnt sich aus, das Volumen wächst, aber die Energiedichte bleibt konstant. Hier scheint ein Widerspruch zum Energieerhaltungssatz zu bestehen. In den letzten 8 Milliarden Jahren hat sich die Größe des Universums verdoppelt. Eine Raumfläche, die damals beispielsweise eine Größe von 1 m hatte, hat heute eine Größe von 2 m, ihr Volumen hat sich um das Achtfache vergrößert, und die Energie in diesem Volumen hat um den gleichen Betrag zugenommen. Die Nichterhaltung der Energie ist offensichtlich.

Tatsächlich widerspricht die Energiezunahme bei der Ausdehnung des Universums nicht den Gesetzen der Physik. Dunkle Energie ist so konzipiert, dass der sich ausdehnende Raum tatsächlich auf sie einwirkt, was zu einer Erhöhung der Energie dieser Substanz im sich ausdehnenden Raumvolumen führt. Zwar wird die Ausdehnung des Weltraums selbst durch dunkle Energie verursacht, daher erinnert die Situation an Baron Münchhausen, der sich an den Haaren aus dem Sumpf zieht. Und doch gibt es keinen Widerspruch: In einem kosmologischen Kontext ist es unmöglich, den Begriff einzuführen voll Energie, zu der auch die Energie des Gravitationsfeldes selbst gehört. Es gibt also auch kein Energieerhaltungsgesetz, das die Zunahme oder Abnahme der Energie jeglicher Form von Materie verbietet.

Auch die Aussage über die Konstanz der Dichte der Dunklen Energie basiert auf astronomischen Beobachtungen und trifft daher auch mit einer gewissen Genauigkeit zu. Um diese Genauigkeit zu charakterisieren, weisen wir darauf hin, dass sich die Dichte der dunklen Energie in den letzten 8 Milliarden Jahren um nicht mehr als das 1,1-fache verändert hat. Heute können wir das mit Zuversicht sagen.

Beachten Sie, dass die zweite und dritte Eigenschaft der Dunklen Energie – die Fähigkeit, zu einer beschleunigten Expansion des Universums zu führen, und ihre zeitliche Konstanz (oder allgemeiner eine sehr langsame Abhängigkeit von der Zeit) – tatsächlich eng miteinander verbunden sind. Dieser Zusammenhang ergibt sich aus den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Im Rahmen dieser Theorie findet die beschleunigte Expansion des Universums genau dann statt, wenn sich die Energiedichte darin entweder gar nicht oder nur sehr langsam ändert. Somit ist die Antigravitation der dunklen Energie und ihrer schwierige Beziehungen mit dem Energieerhaltungssatz - zwei Seiten derselben Medaille.

Damit sind im Wesentlichen verlässliche Informationen über dunkle Energie erschöpft. Dann beginnt der Bereich der Hypothesen. Bevor wir darüber sprechen, wollen wir kurz auf ein allgemeines Thema eingehen.

Warum jetzt?

Wenn im modernen Universum dunkle Energie den größten Beitrag zur Gesamtenergiedichte leistet, dann war dies in der Vergangenheit bei weitem nicht der Fall. Nehmen wir an, vor 8 Milliarden Jahren war normale Materie achtmal dichter und die Dichte der Dunklen Energie war dieselbe (oder fast dieselbe) wie heute. Daraus lässt sich leicht schließen, dass zu dieser Zeit das Verhältnis zwischen der Ruheenergie normaler Materie und der dunklen Energie zugunsten der ersteren war: Die dunkle Energie betrug etwa 13 % und nicht wie heute 70 %. Aufgrund der Tatsache, dass damals normale Materie die Hauptrolle spielte, kam es zur Expansion des Universums mit Verlangsamung . Schon früher war der Einfluss der Dunklen Energie auf die Expansion sehr schwach.

Der Einfluss der Dunklen Energie und die dadurch verursachte Beschleunigung der Expansion des Universums sind also nach kosmologischen Maßstäben sehr junge Phänomene: Die Beschleunigung begann „erst“ vor 6,5 Milliarden Jahren. Da andererseits die Dichte normaler Materie mit der Zeit abnimmt, die Dichte dunkler Energie jedoch nicht, wird dunkle Energie bald (wiederum nach kosmologischen Maßstäben) vollständig dominieren. Dies bedeutet, dass die aktuelle Phase der kosmologischen Entwicklung eine Übergangszeit ist, in der dunkle Energie bereits eine spürbare Rolle spielt, die Expansion des Universums jedoch nicht nur von ihr, sondern auch von normaler Materie bestimmt wird. Ist diese Besonderheit unserer Zeit ein Zufall oder steckt dahinter eine tiefgreifende Eigenschaft unseres Universums? Diese Frage lautet: „Warum jetzt?“ - bleibt vorerst geöffnet.

Kandidaten

Ohne die Schwerkraft hätte der absolute Wert der Energie keine physikalische Bedeutung. Nur in allen Theorien zur Beschreibung der Natur, mit Ausnahme der Theorie der Gravitationswechselwirkungen Unterschied Energien bestimmter Zustände. Wenn wir also von der Bindungsenergie eines Wasserstoffatoms sprechen, meinen wir die Differenz zwischen zwei Größen: der gesamten Ruheenergie eines freien Protons und Elektrons einerseits und der Ruheenergie des Atoms andererseits. Es ist dieser Energieunterschied, der freigesetzt (auf das geborene Photon übertragen) wird, wenn sich ein Elektron und ein Proton zu einem Atom verbinden. Ohne die Gravitationswechselwirkung würde man von Vakuumenergie sprechen zwecklos , ihr Es gäbe einfach keinen Vergleich.

Tatsache ist, dass Vakuumenergie wie jede andere Energie „wiegt“ gravitiert . Vakuum ist ein Zustand mit der niedrigsten Energie (daher kann ihm übrigens keine Energie entzogen werden), diese Energie muss jedoch nicht gleich Null sein; Aus theoretischer Sicht kann es sowohl positiv als auch negativ sein. Ob es „nach ersten Prinzipien“ berechnet werden kann, ist eine große Frage. Aber auf jeden Fall hat Vakuumenergie, wenn sie positiv ist, genau die Eigenschaften, die dunkle Energie haben sollte: Homogenität im Raum und Konstanz in der Zeit.

Wie wir oben sagten, bedeutet die letzte Eigenschaft in der Allgemeinen Relativitätstheorie automatisch, dass Vakuumenergie zu einer beschleunigten Expansion des Universums führt.

Wir betonen, dass Homogenität im Raum und Konstanz in der Zeit exakte und keine ungefähren Eigenschaften des Vakuums sind. Die Vakuumenergiedichte ist eine universelle Konstante (zumindest in dem Teil des Universums, den wir beobachten). Es muss gesagt werden, dass diese Konstante – die kosmologische Konstante, der Λ-Term – von Einstein in seine Gleichungen eingeführt wurde. Zwar hat er es nicht mit Vakuumenergie gleichgesetzt, aber das ist eine Frage der Terminologie, zumindest im modernen Verständnis des Wesens der Sache. Einstein gab seine Idee später auf – vielleicht vergeblich.

Warum befriedigt die Idee der Dunklen Energie als Vakuumenergie viele Physiker nicht? Dies liegt zunächst einmal an dem absurd kleinen Wert der Vakuumenergiedichte, der für die Übereinstimmung zwischen Theorie und Beobachtungen notwendig ist.

Im Vakuum werden ständig virtuelle Teilchen geboren und sterben, es gibt Feldkondensate darin – das Vakuum gleicht eher einem komplexen Medium als einer absoluten Leere. Dabei handelt es sich nicht nur um Spekulationen: Die Eigenschaften des Vakuums spiegeln sich in den Eigenschaften von Elementarteilchen und ihren Wechselwirkungen wider und werden letztlich, wenn auch indirekt, aus zahlreichen Experimenten ermittelt. Die Energie des Vakuums sollte grundsätzlich „wissen“, wie es aufgebaut ist, welche Struktur es hat und welche Werte die es charakterisierenden Parameter haben (z. B. Feldkondensate).

Stellen wir uns nun einen theoretischen Engel vor, der sich mit Elementarteilchenphysik beschäftigt, aber noch nichts über unser Universum gehört hat. Bitten wir diesen Theoretiker, die Vakuumenergiedichte vorherzusagen. Basierend auf den für fundamentale Wechselwirkungen charakteristischen Energieskalen und den entsprechenden Längenskalen wird er seine Schätzung vornehmen – und sich unvorstellbar oft irren – um Dutzende Größenordnungen. Unser Theoretiker würde dies vorhersagen mehr Energie Vakuum und eine dadurch verursachte Expansionsrate des Universums, dass die Häuser in der nächsten Straße mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit von uns wegfliegen müssten!

Das Problem der Vakuumenergie beschäftigte theoretische Physiker schon lange vor der Entdeckung der Dunklen Energie. So beschäftigte dieses Problem in den 1920er und 1930er Jahren Wolfgang Pauli, der 1933 schrieb: „Diese Energie [des Vakuums; Dann verwendeten sie den Begriff „Nullpunktsenergie“. „Nullpunktsenergie“ sollte grundsätzlich nicht beobachtbar sein, da sie nicht emittiert, absorbiert oder gestreut wird ... und da sie, wie aus der Erfahrung hervorgeht, kein Gravitationsfeld erzeugt.“ Warum passiert das? Eine Möglichkeit besteht darin, dass sich die Energie des leeren Raums im Laufe der Zeit irgendwie verändert und schließlich nahe Null geht. Spezifische theoretische Modelle, die diese Möglichkeit veranschaulichen, sind äußerst schwierig zu konstruieren, aber nicht unmöglich; noch schwieriger ist es, sie in einen kosmologischen Kontext einzuordnen.

Wenn dunkle Energie Vakuumenergie ist, kann der Versuch zu verstehen, warum sie so klein ist, mit einer völlig anderen Logik erfolgen. Stellen wir uns vor, dass das Universum extrem groß ist, dass es um ein Vielfaches größer ist als der Teil, den wir beobachten. Nehmen wir weiter an, dass in verschiedenen, sehr großen Teilen des Universums eine Vielzahl von Vakuumzuständen mit sehr unterschiedlichen Energiedichten realisiert werden können. Diese Möglichkeit ist übrigens theoretisch nicht ausgeschlossen; Darüber hinaus scheint genau dies in der Superstringtheorie der Fall zu sein, insbesondere wenn das Universum eine Inflationsphase durchlief. Regionen des Universums, in denen die Vakuumenergiedichte im absoluten Wert zu hoch ist, sehen völlig anders aus als unsere Region: Wo die Vakuumenergie groß und positiv ist, dehnt sich der Weltraum so schnell aus, dass Sterne und Galaxien einfach keine Zeit haben, sich zu bilden; In Regionen mit großer negativer Vakuumenergie weicht die Ausdehnung des Weltraums schnell einer Kompression, und diese Regionen kollabieren lange vor der Sternentstehung. In beiden Fällen ist die kosmologische Evolution mit der Existenz von Beobachtern wie uns unvereinbar. Und umgekehrt konnten wir nur dort auftauchen, wo die Vakuumenergiedichte sehr nahe bei Null liegt – und dort sind wir aufgetaucht.

Diese, wie man sagt, anthropische Sicht auf das Problem der Vakuumenergie kam vor mehr als 20 Jahren in den Werken von Andrei Linde und Steven Weinberg zum Ausdruck. Mittlerweile ist es bei einem bedeutenden Teil der theoretischen Physiker beliebt. Der andere Teil sieht darin einen Weg, dem Problem zu entkommen. Der ausgewogenste Ansatz besteht wahrscheinlich darin, die anthropische Erklärung als mögliche endgültige Antwort nicht auszuschließen, aber dennoch zu versuchen, sie zu finden alternative Lösung Probleme der Vakuumenergie und der dunklen Energie.

Eine Alternative zum Vakuum als Träger dunkler Energie könnte als neues Feld dienen, das im Universum „verschüttet“ wird. In dieser Version ist die Energie des neuen Feldes dunkle Energie. Dieses Feld dürfte neu sein, da das Vorhandensein bekannter Felder (z. B. elektromagnetischer Felder) überall im Universum das Verhalten der Materie zu stark beeinflussen und zu Effekten führen würde, die längst entdeckt worden wären. Darüber hinaus sind die bekannten Felder so beschaffen, dass ihre Energie nicht die oben aufgeführten Eigenschaften der Dunklen Energie aufweist.

Das hypothetische neue Feld sollte durch eine Energieskala in der Größenordnung von 0,002 eV gekennzeichnet sein. Obwohl dies im Hinblick auf bekannte Wechselwirkungen ein sehr kleiner Maßstab ist, erscheint es nicht völlig unplausibel. Tatsächlich wissen wir bereits, dass das Ausmaß verschiedener Interaktionen sehr unterschiedlich ist. Somit ist die erwähnte Skala starker Wechselwirkungen (200 MeV) 10 19 mal kleiner als die Skala der Gravitationskräfte. Ein solch gigantischer Unterschied erfordert natürlich eine Erklärung an sich, aber das ist ein anderes Thema. In jedem Fall ist die Existenz verschiedener Energieskalen in der Natur eine Tatsache, und die Einführung einer neuen kleinen Skala scheint kein unüberwindbares Hindernis zu sein.

Das neue Feld verändert sich im Allgemeinen im Laufe der Entwicklung des Universums. Auch seine Energiedichte ändert sich. Damit diese Veränderung nicht zu schnell erfolgt, müssen die Quanten des neuen Feldes – neue Teilchen – eine extrem kleine Masse haben; Sie sagen, dieses Feld sollte einfach sein.

Schließlich ist das neue Feld eine neue Kraft (so wie das Gravitationsfeld der Gravitation entspricht und das elektromagnetische Feld den elektrischen und magnetischen Kräften entspricht). Ein Lichtfeld mit extrem geringer Masse ist eine weitreichende Kraft ähnlich der Schwerkraft. Damit kein Widerspruch zu Experimenten zur Überprüfung der allgemeinen Relativitätstheorie besteht, sollte die Wechselwirkung dieses Feldes mit gewöhnlicher Materie sehr schwach sein, schwächer als die der Gravitation.

All diese Eigenschaften sehen für einen Theoretiker nicht attraktiv aus, können aber toleriert werden. Es ist wichtig, dass die Hypothese eines neuen Feldes zumindest im Prinzip eine experimentelle Überprüfung ermöglicht – mit Hilfe von Beobachtungen ist es möglich, Veränderungen der Feldenergiedichte im Laufe der Zeit zu erkennen. Dies wird die Hypothese über die Vakuumnatur der dunklen Energie definitiv widerlegen und im Gegenteil als Hinweis auf die Existenz eines neuen Lichtfeldes im Universum dienen. Darüber hinaus können wir hoffen, in Zukunft die Heterogenität der Verteilung dunkler Energie im Weltraum zu entdecken. Dies wäre der endgültige Beweis dafür, dass dunkle Energie neue Feldenergie ist und nichts anderes.

Andererseits gibt es heute keine sichtbaren Möglichkeiten, in Laborexperimenten, Beschleunigern usw. ein neues Lichtfeld zu registrieren. Der Grund ist die extrem schwache Wechselwirkung dieses Feldes mit Materie. Allerdings wissen wir immer noch zu wenig, und wie man so schön sagt, sagt man nie „nie“.

Physiker diskutieren verschiedene Typen hypothetische Lichtfelder, deren Energie als dunkle Energie wirken könnte. In der theoretisch einfachsten Version ist die Energiedichte des neuen Feldes nimmt ab mit der Zeit. Für ein Feld dieser Art wird der Begriff „Quintessenz“ verwendet. Allerdings kann die umgekehrte Möglichkeit bei der Energiedichte nicht ausgeschlossen werden wachsend mit der Zeit; Ein Feld dieser Art wird als „Phantom“ bezeichnet. Phantom wäre ein sehr exotisches Feld; So etwas wurde in der Natur noch nie gefunden. Die Unterscheidung zwischen Quintessenz und Phantom ist, wie wir weiter unten diskutieren werden, aus der Sicht der Ferne wichtig Zukunft Universum.

Eine weitere mögliche Erklärung für dunkle Energie ist schließlich, dass es wirklich keine dunkle Energie gibt. Wenn die Allgemeine Relativitätstheorie auf modernen kosmologischen Längen- und Zeitskalen nicht anwendbar ist, besteht kein Bedarf an dunkler Energie.

Natürlich kann diese Sicht der Dunklen Energie nicht die Tatsache außer Acht lassen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie auf kleineren Entfernungsskalen gut getestet wurde. Deshalb müssen Sie erstellen neue Theorie Schwerkraft, die sich in diesen Entfernungen in die allgemeine Relativitätstheorie umwandeln würde, ansonsten aber die Entwicklung des Universums in relativ späten Stadien, nahe unserer, beschreiben würde. Dies ist eine schwierige Aufgabe, insbesondere wenn wir das Erfordernis der Selbstkonsistenz, der inneren Konsistenz der Theorie, berücksichtigen. Dennoch gibt es solche Versuche, und einige davon sehen durchaus vielversprechend aus.

Eine Möglichkeit besteht darin, die Newtonsche Gravitationskonstante nach bestimmten Gleichungen räumlich und zeitlich variieren zu lassen. Leider wurden die schönsten Versionen der Theorie, die diese Möglichkeit erkennen, durch Experimente zur Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie abgelehnt. Wenn Sie nicht nach Schönheit streben, können auf diesem Weg Modelle erstellt werden, die die beschleunigte Expansion des Universums erklären und mit allem übereinstimmen, was über die Schwerkraft bekannt ist. Solche Modelle sagen in der Regel Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie voraus, die zwar gering, aber in der Zukunft experimentell nachweisbar sind.

Beachten wir auch die Idee, dass unser Raum mehr als drei Dimensionen haben kann. Gleichzeitig manifestieren sich zusätzliche Dimensionen in gewöhnlichen Entfernungen in keiner Weise, und in kosmologischen Entfernungen von Milliarden Lichtjahren können sich die Gravitationsfeldlinien in zusätzliche Dimensionen „ausbreiten“, weshalb die Schwerkraft nicht mehr beschrieben wird das übliche Newtonsche Gesetz. Eine völlig zufriedenstellende Theorie, die die beschleunigte Expansion des Universums auf diese Weise erklärt, wurde noch nicht aufgestellt; In den bisher vorgeschlagenen Modellen ist dieser Gedanke nur teilweise umgesetzt. Es ist jedoch bemerkenswert, dass diese Modelle zu ihren experimentellen Vorhersagen führen. Dazu gehört die Möglichkeit, das Newtonsche Gravitationsgesetz zu ändern klein Entfernungen; kleine, aber erkennbare Korrekturen der allgemeinen Relativitätstheorie im Sonnensystem usw.

Die kürzlich entdeckten Merkmale der Expansion des Universums haben eine neue Frage aufgeworfen: Werden sie durch Vakuumenergie, die Energie eines neuen Lichtfeldes oder neue Schwerkraft in extrem großen Entfernungen verursacht? Die theoretische Erforschung dieser Möglichkeiten ist in vollem Gange und die Antwort muss, wie in der Physik üblich, letztlich durch neue Experimente geliefert werden.

Dunkle Energie und die Zukunft des Universums

Mit der Entdeckung der Dunklen Energie haben sich die Vorstellungen darüber, wie die ferne Zukunft unseres Universums aussehen könnte, dramatisch verändert. Vor dieser Entdeckung war die Frage nach der Zukunft eindeutig mit der Frage nach der Krümmung des dreidimensionalen Raums verbunden. Wenn, wie viele bisher glaubten, die Krümmung des Weltraums 70 % der aktuellen Expansionsrate des Universums bestimmen würde und es keine dunkle Energie gäbe, dann würde sich das Universum unbegrenzt ausdehnen und sich allmählich verlangsamen. Nun ist klar, dass die Zukunft von den Eigenschaften der Dunklen Energie bestimmt wird.

Da wir diese Eigenschaften derzeit nur unzureichend kennen, können wir die Zukunft noch nicht vorhersagen. Da kann man nur nachdenken verschiedene Varianten. Es ist schwer zu sagen, was in Theorien mit neuer Schwerkraft passiert, aber andere Szenarien können jetzt diskutiert werden.

Wenn die dunkle Energie über die Zeit konstant ist, wie es bei der Vakuumenergie der Fall ist, wird das Universum immer eine beschleunigte Expansion erfahren. Die meisten Galaxien werden sich irgendwann enorm von unserer entfernen, und unsere Galaxie wird sich zusammen mit ihren wenigen Nachbarn als Insel im Nichts erweisen. Wenn dunkle Energie der Inbegriff ist, dann könnte die beschleunigte Expansion in ferner Zukunft aufhören und sogar durch Kompression ersetzt werden. Im letzteren Fall kehrt das Universum in einen Zustand mit heißer und dichter Materie zurück, es kommt zu einem „umgekehrten Urknall“ in der Vergangenheit.

Ein noch dramatischeres Schicksal erwartet das Universum, wenn sich dunkle Energie niederlässt – ein Phantom, so dass seine Energiedichte unbegrenzt zunimmt. Die Expansion des Universums wird immer schneller, sie wird sich so stark beschleunigen, dass Galaxien aus Galaxienhaufen, Sterne aus Galaxien, Planeten aus dem Sonnensystem herausgerissen werden. Es wird so weit kommen, dass sich Elektronen von Atomen lösen und Atomkerne in Protonen und Neutronen spalten. Es wird, wie man sagt, einen Big Rip geben.

Ein solches Szenario scheint jedoch nicht sehr wahrscheinlich. Höchstwahrscheinlich wird die Energiedichte des Phantoms begrenzt bleiben. Aber selbst dann könnte dem Universum eine ungewöhnliche Zukunft bevorstehen. Tatsache ist, dass in vielen Theorien Phantomverhalten – eine Zunahme der Energiedichte im Laufe der Zeit – mit Instabilitäten des Phantomfeldes einhergeht. In diesem Fall wird das Phantomfeld im Universum sehr inhomogen, seine Energiedichte in verschiedenen Teilen des Universums wird unterschiedlich sein, einige Teile werden sich schnell ausdehnen und andere können kollabieren. Das Schicksal unserer Galaxie wird davon abhängen, in welche Region sie fällt.

All dies bezieht sich jedoch auf die Zukunft, die selbst nach kosmologischen Maßstäben weit entfernt liegt. In den nächsten 20 Milliarden Jahren wird das Universum nahezu so bleiben, wie es jetzt ist. Wir haben Zeit, die Eigenschaften der Dunklen Energie zu verstehen und dadurch die Zukunft genauer vorherzusagen – und sie vielleicht zu beeinflussen.

• Kosmologische Modelle
  • Urknall
  • Friedmans Universum
• Zeitleiste der Kosmologie

Es gibt zwei Möglichkeiten, das Wesen der dunklen Energie zu erklären:

Bis heute (2012) widersprechen alle bekannten zuverlässigen Beobachtungsdaten nicht der ersten Hypothese, sodass sie in der Kosmologie als Standard akzeptiert wird. Die endgültige Wahl zwischen den beiden Optionen erfordert hochpräzise Messungen der Expansionsrate des Universums, um zu verstehen, wie sich diese Rate im Laufe der Zeit ändert. Die Expansionsrate des Universums wird durch die kosmologische Zustandsgleichung beschrieben. Die Lösung der Zustandsgleichung für Dunkle Energie ist eines der dringendsten Probleme der modernen beobachtenden Kosmologie.

Dunkle Energie dürfte auch einen erheblichen Teil der sogenannten verborgenen Masse des Universums ausmachen.

Entdeckung der dunklen Energie

Basierend auf Beobachtungen von Supernovae vom Typ Ia, die Ende der 1990er Jahre durchgeführt wurden, wurde der Schluss gezogen, dass sich die Expansion des Universums mit der Zeit beschleunigt. Diese Beobachtungen wurden dann durch andere Quellen gestützt: Messungen des CMB, Gravitationslinseneffekt, Urknall-Nukleosynthese. Alle erhaltenen Daten passen gut in das Lambda-CDM-Modell.

Supernovae und das sich beschleunigende Universum

Die kosmologische Konstante hat einen negativen Druck, der ihrer Energiedichte entspricht. Die Gründe, warum die kosmologische Konstante einen negativen Druck hat, ergeben sich aus der klassischen Thermodynamik. Die in einer „Vakuumbox“ enthaltene Energiemenge V, gleich ρV, Wo ρ - Energiedichte der kosmologischen Konstante. Erhöhen des Volumens der „Box“ ( dV positiv) führt zu seiner Erhöhung innere Energie, und das bedeutet, dass es negative Arbeit leistet. Da die Arbeit durch eine Volumenänderung verrichtet wird dV, gleich pdV, Wo P- Druck also P negativ und tatsächlich p = −ρ(Koeffizient c², der Masse und Energie verbindet, ist gleich 1).

Das wichtigste ungelöste Problem der modernen Physik besteht darin, dass die meisten Quantenfeldtheorien, die auf der Energie des Quantenvakuums basieren, einen enormen Wert der kosmologischen Konstante vorhersagen – viele Größenordnungen größer als das, was nach kosmologischen Konzepten zulässig ist. Die übliche Formel der Quantenfeldtheorie für die Summation von Vakuum-Nullpunktschwingungen des Feldes (mit einem Grenzwert bei der Wellenzahl der Schwingungsmoden entsprechend der Planck-Länge) ergibt eine enorme Vakuumenergiedichte. Dieser Wert muss daher durch eine Aktion ausgeglichen werden, die in der Größe fast gleich (aber nicht genau gleich) ist, aber das entgegengesetzte Vorzeichen hat. Einige Theorien der Supersymmetrie (SATHISH) verlangen, dass die kosmologische Konstante genau Null ist, was ebenfalls nicht zur Lösung des Problems beiträgt. Dies ist die Essenz des „Problems der kosmologischen Konstante“, des schwierigsten „Feinabstimmungsproblems“ in der modernen Physik: Es wurde kein einziger Weg gefunden, den extrem kleinen Wert der in der Kosmologie definierten kosmologischen Konstante aus der Teilchenphysik abzuleiten. Einige Physiker, darunter Steven Weinberg, glauben das sogenannte. Das „anthropische Prinzip“ ist die beste Erklärung für das beobachtete feine Energiegleichgewicht im Quantenvakuum.

Trotz dieser Probleme ist die kosmologische Konstante in vielerlei Hinsicht die sparsamste Lösung für das Problem eines sich beschleunigenden Universums. Ein einziger Zahlenwert erklärt viele Beobachtungen. Daher beinhaltet das derzeit allgemein anerkannte kosmologische Modell (Lambda-CDM-Modell) die kosmologische Konstante als wesentliches Element.

Quintessenz

Ein alternativer Ansatz wurde 1987 vom deutschen theoretischen Physiker Christoph Wetterich vorgeschlagen. Wetterich ging davon aus, dass dunkle Energie eine Art teilchenartige Anregung eines bestimmten dynamischen Skalarfeldes namens Quintessenz ist. Der Unterschied zur kosmologischen Konstante besteht darin, dass die Dichte der Quintessenz räumlich und zeitlich variieren kann. Um zu verhindern, dass sich die Quintessenz nach dem Vorbild gewöhnlicher Materie (Sterne etc.) „zusammensetzt“ und großräumige Strukturen bildet, muss sie sehr leicht sein, also eine große Compton-Wellenlänge haben.

Bisher wurden keine Beweise für die Existenz einer Quintessenz gefunden, eine solche Existenz kann jedoch nicht ausgeschlossen werden. Die Quintessenzhypothese sagt eine etwas langsamere Beschleunigung des Universums voraus als die Hypothese der kosmologischen Konstante. Einige Wissenschaftler glauben, dass der beste Beweis für die Quintessenz aus Verstößen gegen Einsteins Äquivalenzprinzip und Variationen grundlegender Konstanten in Raum oder Zeit resultieren würde. Die Existenz von Skalarfeldern wird durch das Standardmodell und die Stringtheorie vorhergesagt, stellt jedoch ein ähnliches Problem wie die Variante der kosmologischen Konstante dar: Die Renormierungstheorie sagt voraus, dass Skalarfelder eine signifikante Masse annehmen sollten.

Das Problem des kosmischen Zufalls wirft die Frage auf, warum die Beschleunigung des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt begann. Wenn die Beschleunigung im Universum vor diesem Moment einsetzen würde, hätten Sterne und Galaxien einfach keine Zeit, sich zu bilden, und Leben hätte keine Chance, zumindest in der uns bekannten Form zu entstehen. Befürworter des „anthropischen Prinzips“ halten diesen Umstand für das beste Argument für ihre Konstruktionen. Viele Quintessenzmodelle beinhalten jedoch ein sogenanntes „Tracking-Verhalten“, das dieses Problem löst. In diesen Modellen hat das Quintessenzfeld eine Dichte, die sich bis zum Entstehungszeitpunkt des Urknalls an die Strahlungsdichte anpasst (ohne diese zu erreichen), wenn sich ein Gleichgewicht von Materie und Strahlung einstellt. Ab diesem Zeitpunkt beginnt sich die Quintessenz wie die gesuchte „dunkle Energie“ zu verhalten und dominiert schließlich das Universum. Diese Entwicklung führt auf natürliche Weise zu einem niedrigen Niveau der dunklen Energie.

Andererseits kann sich dunkle Energie mit der Zeit auflösen oder sogar ihre abstoßende Wirkung in eine anziehende verwandeln. In diesem Fall wird die Schwerkraft siegen und das Universum zum „Big Crunch“ führen. Einige Szenarien gehen von einem „zyklischen Modell“ des Universums aus. Obwohl diese Hypothesen noch nicht durch Beobachtungen bestätigt wurden, sind sie nicht vollständig widerlegt. Genaue Messungen der Beschleunigungsrate müssen eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des endgültigen Schicksals des Universums (das sich gemäß der Urknalltheorie entwickelt) spielen.

Die beschleunigte Expansion des Universums wurde 1998 durch Beobachtungen von Supernovae vom Typ Ia entdeckt. Für diese Entdeckung erhielten Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt und Adam Riess 2006 den Shao-Preis für Astronomie und 2011 den Nobelpreis für Physik.

siehe auch

Anmerkungen

Links

• Dunkle Energie in unserer Nähe – eine beliebte Broschüre, A. D. Chernina, SAI MSU.
• ANZEIGE. Chernin: Physikalisches Vakuum und kosmische Antigravitation
• Dokumentarfilm – Dunkle Materie, Dunkle Energie (2008)
• ANZEIGE. Tschernin. Dunkle Energie und universelle Antigravitation. // UFN, 178 , 267 (2008).
• V. N. Lukash, V. A. Rubakov. Dunkle Energie: Mythen und Realität. // UFN, 178 , 301 (2008). (Kommentar zum Artikel von A. D. Chernin)
• Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski, Nevin N. Weinberg, Phantomenergie und kosmischer Weltuntergang (astro-ph:0302506)
• Mark Trodden, Jonathan Fan. Dunkle Welten

Wikimedia-Stiftung. 2010.

Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was „Dunkle Energie“ ist:

DUNKLE ENERGIE- (TE) seltsame Energie der nicht-baryonischen Welt (siehe), die in unserem Universum vorhanden ist und sich in Form von Antigravitation manifestiert, der Fähigkeit, sich von gewöhnlicher Materie „abzustoßen“. Als Ergebnis zahlreicher (500.000 von 1995 bis 2005) Beobachtungen von ... Große Polytechnische Enzyklopädie