Monday , November 18 2019
Home / argentina / Dark energy cannot be a constant that would lead to a revolution in physics

Dark energy cannot be a constant that would lead to a revolution in physics




<div _ngcontent-c14 = "" innerhtml = "

The farthest X-ray jet in the Universe, from the quasar GB 1428, helps illustrate how bright these fantastic objects are. If we can figure out how to use quasars to measure the expansion of the universe, we can understand the nature of dark energy like never before.X-ray: NASA / CXC / NRC / C.Cheung et al; Optical: NASA / STScI; Radio: NSF / NRAO / VLA

For the past generation, we realized that our Universe is a particularly dark place. Of course, it is filled with stars, galaxies and a multitude of light-emitting phenomena, wherever we look. But each of the known processes that generate light is based on particles of the Standard Model: normal matter in our Universe. All normal matter — protons, neutrons, electrons, neutrinos, etc. — is only 5% of all that is there.

The remaining 95% is a dark mystery, but it cannot be a particle that we know. According to our best measurements, 27% of the Universe consists of some type of dark matter that does not interact with light or normal matter in any known way. And the remaining 68% is dark energy, which is a form of energy inherent in the space itself. New set of observations defies what we now think of dark energyIf it sustains, all that we know will change.

Without dark energy, the Universe would not have accelerated. But to explain the distant supernovae that we see, among other things, dark energy (or something that exactly mimics it) seems necessary.NASA & amp; ESA, possible models of an expanding universe

The best way to understand what the Universe consists of is not to go out and not count everything that is there. If this were the only way to do this, we would literally miss 95% of the Universe, since this cannot be measured directly. Instead, we can use the whim of the general theory of relativity: the fact that all the various forms of matter and energy affect the structure of space-time itself, as well as how it changes with time.

In particular, by measuring the rate of expansion today, as well as how the rate of expansion has changed throughout our cosmic history, we can use these known relationships to reconstruct what the universe should consist of. From the full set of available data, including information about supernovae, the large-scale structure of the Universe, and cosmic microwave background radiation, we were able to build a correspondence picture: 5% of normal matter, 27% of dark matter, and 68% of dark energy.

Restrictions on dark energy from three independent sources: supernovae, cosmic microwave background (CMB) and baryon acoustic oscillations (BAO), found in the large-scale structure of the Universe. Please note that even without supernovae, we need dark energy. More recent versions of this graph are available, but the results have mostly not changed.Cosmological Supernova Project, Amanullah, et al., Ap.J. (2010)

As far as we know, dark matter behaves just like normal matter from a gravitational point of view. The total mass of dark matter is fixed, therefore, as the Universe expands and the volume increases, the density of dark matter decreases, as it happens with ordinary matter.

However, dark energy is considered different. Instead of being a type of particle, it behaves as if it is a type of energy inherent in the space itself. As space expands, the dark energy density remains constant, rather than decreasing or increasing. As a result, after the Universe has expanded long enough, dark energy begins to dominate the energy balance of the Universe. Over time, it becomes increasingly dominant compared to other components, which leads to the accelerated expansion that we are seeing today.

While matter (both normal and dark) and radiation become less dense as the Universe expands due to an increase in its volume, dark energy is a form of energy inherent in the space itself. When a new space is created in an expanding universe, the density of dark energy remains constant.E. Siegel / Outside the Galaxy

Traditionally, methods for measuring the expansion of the universe were based on one of two observable indicators.

  1. Standard candles: where the internal behavior of the light source is known, and we can measure the observed brightness, thus determining its distance. By measuring distance and redshift for a large number of sources, we can reconstruct how the universe expanded.
  2. Standard rulerswhere the internal scale of the size of an object or phenomenon is known, and we can measure the apparent angular size of the object or phenomenon itself. By transforming the angular size into physical and measuring the redshift, we can similarly reconstruct how the Universe has expanded.

The difficulty of using any of these methods — the kind of thing that keeps astronomers at night — lies in the fear that our assumptions about internal behavior may be wrong, which distorts our findings.

Two of the most successful methods for measuring large cosmic distances are based either on their apparent brightness (L) or on their apparent angular size (R), both of which are directly observable. If we can understand the internal physical properties of these objects, we can use them as standard candles (L) or standard rulers (R) to determine how the Universe has expanded and, therefore, what it is made of, in its cosmic history.NASA / JPL-Caltech

Until now, our best standard candles led us very far in the history of the Universe: to the light that was emitted when the Universe was about 4 billion years old. Given that today we are almost 14 billion years old, we were able to measure very far, type Ia supernovae provide the most reliable and reliable distance indicator for studying dark energy.

However, recently, a group of scientists began to use X-ray emitting quasars, which are much brighter and, therefore, visible even in earlier times: when the universe was only one billion years old. AT interesting new articleScientists Guido Visualies and Elizabeta Lousseau use quasars as a standard candle to go further than we ever measured the nature of dark energy. What they found is still preliminary, but nonetheless astounding.

A new study using Chandra, XMM-Newton and Sloan Digital Sky Survey (SDSS) data suggests that dark energy could change during space time. This illustration of the artist helps explain how astronomers tracked the effects of dark energy about one billion years after the Big Bang, determining distances to nearly 1600 quasars, fast-growing black holes that shine extremely brightly. The two most distant studied quasars are shown on the images of Chandra in the inserts.Illustration: NASA / CXC / M.Weiss; X-ray: NASA / CXC / Univ. Florence / G.Risaliti & amp; E.Lusso

Using data from about 1600 quasars and a new method for determining distances to them, they found strong agreement with the results of supernovae for quasars over the past 10 billion years: dark energy is real, about two thirds of the energy in the Universe and is represented by a cosmological constant in nature.

But they also found more distant quasars, which showed something unexpected: at the greatest distances there is a deviation from this “constant” behavior. Risaliti wrote a blog post here, revealing in detail the consequences of his work, including this gem:

Our final Hubble diagram gave us completely unexpected results: while our measurement of the expansion of the Universe corresponded to supernovae in the total distance range (from 4.3 billion years old to our days), the inclusion of more distant quasars shows a strong deviation from the expectations of the standard cosmological model! If we explain this deviation through the component of dark energy, we find that its density must increase with time.

The relationship between the distance module (Y-axis, measure of distance) and redshift (X-axis), as well as quasar, yellow and blue data, with supernova data in blue. Red dots are the average values ​​of the yellow quasar dots connected together. While the data on supernovae and quasar are consistent with each other, where both are present (up to a redshift of about 1.5), the quasar data go much further, indicating a deviation from the interpretation of the constant (solid line).G. Drawaly and E. Lousseau, arXiv: 1811.02590

Note that this is an extremely complex dimension, and the first thing you might think is that the quasars we measured may be unreliable as a standard candle.

If it was your thought: congratulations! This is what happened once before when people tried to use gamma-ray bursts as a distance indicator to go beyond what a supernova could teach us. When we learned more about these bursts, we found that they were initially non-standard, and we also discovered our own biases in which the types of bursts we could detect. One or both of these two types of bias are likely to play a role here, at least, and this is usually considered the most likely explanation for this result.

Although figuring out why this will be an educational undertaking and a problem, it is unlikely to convince many that dark energy is not a constant value.

The expected fate of the Universe is the eternal accelerating expansion corresponding to w, the value on the y axis, equal to -1 exactly. If w is more negative than -1, as confirmed by some data, our fate will be a big gap.C. Hikage et al., ArXiv: 1809.09148

But what if this new study is true? What if dark energy is not constant? What if, as other observations have hinted at over the past two decades, does it really change over time?

The graph above shows the results of several different data sets, but I want to draw your attention to the value of & nbsp;weightshown on the y-axis. What we call & nbsp;weight equation of state for dark energy, where & nbsp;Well & nbsp;= -1 is the value that we would get for dark energy, which is a cosmological constant: the invariable form of energy inherent in the space itself. If & nbsp;weight different from -1, however, this can change everything.

Various ways in which dark energy could evolve into the future. Maintaining a constant or increasing force (in the Big Gap) can potentially rejuvenate the Universe, while a change in sign can lead to a Big Crunch.NASA / CXC / M.Weiss

Our standard destiny, where & nbsp;weight = -1, the Universe will expand forever, and the structures that are not connected today are separated under the influence of dark energy. But if & nbsp;weight either changes with time or is not -1, it all changes.

  • If & nbsp;weight less negative than -1 (for example, -0.9 or -0.75), dark energy will weaken over time and eventually become unimportant. If & nbsp;weight& nbsp; growing over time and ever becoming positive, it can lead to the turning of the Universe into a Big Crunch.
  • However, if this new result is true, & nbsp;weight is more negative than -1 (for example, -1.2 or -1.5 or worse), then dark energy will only increase with time, causing the space structure to expand at a constantly accelerating speed. Associated structures, such as galaxies, solar systems, planets and even atoms themselves, will be torn apart after enough time has passed. The universe will end in a catastrophe known as the Big Gap.

The Big Break scenario will occur if we find that the power of dark energy increases, but remains negative in the direction over time.Jeremy Theford / Vanderbilt University

The desire to understand the ultimate fate of the universe was what fascinated humanity from time immemorial. With the advent of the General Theory of Relativity and Modern Astrophysics, it has suddenly become possible to answer this question from a scientific point of view. Will the universe expand forever? Shrink? Oscillate? Or to be torn apart by the physics that underlie our reality?

The answer can be determined by looking at the objects found in the universe itself. The key to uncovering our ultimate cosmic fate, however, depends on whether we understand what we are looking at and on the fact that our answers are not biased in the assumptions that we make regarding objects that we measure and observe. In the end, dark energy cannot be constant, and only by looking at the Universe itself, we will know for sure.

">

The farthest X-ray jet in the Universe, from the quasar GB 1428, helps illustrate how bright these fantastic objects are. If we can figure out how to use quasars to measure the expansion of the universe, we can understand the nature of dark energy like never before.X-ray: NASA / CXC / NRC / C.Cheung et al; Optical: NASA / STScI; Radio: NSF / NRAO / VLA

For the past generation, we realized that our Universe is a particularly dark place. Of course, it is filled with stars, galaxies and a multitude of light-emitting phenomena, wherever we look. But each of the known processes that generate light is based on particles of the Standard Model: normal matter in our Universe. All ordinary matter — protons, neutrons, electrons, neutrinos, etc. — is only 5% of what is there.

The remaining 95% is a dark mystery, but it cannot be a particle that we know. According to our best measurements, 27% of the Universe consists of some type of dark matter that does not interact with light or normal matter in any known way. And the remaining 68% is dark energy, which is a form of energy inherent in the space itself. A new set of observations casts doubt on what we are now thinking about dark energy. If it stands, all that we know will change.

Without dark energy, the Universe would not have accelerated. But to explain the distant supernovae that we see, among other things, dark energy (or something that exactly mimics it) seems necessary.NASA and ESA, possible models of an expanding universe

The best way to understand what the Universe consists of is not to go out and not count everything that is there. If this were the only way to do this, we would literally miss 95% of the Universe, since this cannot be measured directly. Instead, we can use the whim of the general theory of relativity: the fact that all the various forms of matter and energy affect the structure of space-time itself, as well as how it changes with time.

In particular, by measuring the rate of expansion today, as well as how the rate of expansion has changed throughout our cosmic history, we can use these known relationships to reconstruct what the universe should consist of. From the full set of available data, including information about supernovae, the large-scale structure of the Universe, and cosmic microwave background radiation, we were able to build a correspondence picture: 5% normal matter, 27% dark matter, and 68% dark energy.

Restrictions on dark energy from three independent sources: supernovae, cosmic microwave background (CMB) and baryon acoustic oscillations (BAO), found in the large-scale structure of the Universe. Please note that even without supernovae, we need dark energy. More recent versions of this graph are available, but the results have mostly not changed.Cosmological Supernova Project, Amanullah, et al., Ap.J. (2010)

As far as we know, dark matter behaves just like normal matter from a gravitational point of view. The total mass of dark matter is fixed, therefore, as the Universe expands and the volume increases, the density of dark matter decreases, as it happens with ordinary matter.

However, dark energy is considered different. Instead of being a type of particle, it behaves as if it is a type of energy inherent in the space itself. As space expands, the dark energy density remains constant, rather than decreasing or increasing. As a result, after the Universe has expanded long enough, dark energy begins to dominate the energy balance of the Universe. Over time, it becomes increasingly dominant compared to other components, which leads to the accelerated expansion that we are seeing today.

While matter (both normal and dark) and radiation become less dense as the Universe expands due to an increase in its volume, dark energy is a form of energy inherent in the space itself. When a new space is created in an expanding universe, the density of dark energy remains constant.E. Siegel / Outside the Galaxy

Традиционно методы измерения расширения Вселенной основывались на одном из двух наблюдаемых показателей.

  1. Стандартные свечи: где известно внутреннее поведение источника света, и мы можем измерить наблюдаемую яркость, таким образом, определяя его расстояние. Измеряя расстояние и красное смещение для большого количества источников, мы можем реконструировать, как расширилась Вселенная.
  2. Стандартные линейкигде известна внутренняя шкала размеров объекта или явления, и мы можем измерить видимый угловой размер этого самого объекта или явления. Преобразовав угловой размер в физический и измерив красное смещение, мы можем аналогичным образом реконструировать, как расширилась Вселенная.

Сложность использования любого из этих методов – такого рода вещи, которые держат астрономов по ночам, – это страх того, что наши предположения о внутреннем поведении могут быть ошибочными, что искажает наши выводы.

Два из наиболее успешных методов измерения больших космических расстояний основаны либо на их кажущейся яркости (L), либо на их кажущемся угловом размере (R), оба из которых непосредственно наблюдаемы. Если мы сможем понять внутренние физические свойства этих объектов, мы можем использовать их как стандартные свечи (L) или стандартные линейки (R), чтобы определить, как Вселенная расширилась и, следовательно, из чего она сделана, за свою космическую историю.NASA / JPL-Caltech

До сих пор наши лучшие стандартные свечи уводили нас очень далеко в истории Вселенной: на свет, излучаемый, когда Вселенной было около 4 миллиардов лет. Учитывая, что сегодня нам почти 14 миллиардов лет, мы смогли отмерить очень далеко, сверхновые типа Ia обеспечивают самый надежный и надежный индикатор расстояния для исследования темной энергии.

Однако недавно группа ученых начала использовать квазары, испускающие рентгеновские лучи, которые намного ярче и, следовательно, видны даже в более ранние времена: когда Вселенной было всего один миллиард лет. В новой интересной статье ученые Гвидо Рисалити и Элизабета Луссо используют квазары в качестве стандартной свечи, чтобы идти дальше, чем мы когда-либо измеряли природу темной энергии. То, что они нашли, все еще является предварительным, но тем не менее поразительным.

Новое исследование с использованием данных Chandra, XMM-Newton и Sloan Digital Sky Survey (SDSS) предполагает, что темная энергия могла изменяться в течение космического времени. Эта иллюстрация художника помогает объяснить, как астрономы отслеживали влияние темной энергии примерно через один миллиард лет после Большого взрыва, определяя расстояния до почти 1600 квазаров, быстро растущих черных дыр, которые сияют чрезвычайно ярко. Два самых далеких изученных квазара показаны на изображениях Чандры во вставках.Иллюстрация: NASA / CXC / M.Weiss; Рентген: НАСА / CXC / Univ. Флоренции / Г.Ризалити и Э.Луссо

Используя данные около 1600 квазаров и новый метод определения расстояний до них, они нашли сильное согласие с результатами сверхновых для квазаров за последние 10 миллиардов лет: темная энергия реальна, около двух третей энергии во Вселенной и представляется космологической постоянной в природе.

Но они также нашли более отдаленные квазары, которые показали нечто неожиданное: на самых больших расстояниях наблюдается отклонение от этого «постоянного» поведения. Рисалити написал здесь сообщение в блоге, в котором подробно рассказывается о последствиях его работы, включая этот драгоценный камень:

Наша окончательная диаграмма Хаббла дала нам совершенно неожиданные результаты: в то время как наше измерение расширения Вселенной соответствовало сверхновым в общем диапазоне расстояний (от возраста 4,3 миллиарда лет до наших дней), включение более отдаленных квазаров показывает сильное отклонение от ожиданий стандартной космологической модели! Если мы объясним это отклонение через компонент темной энергии, мы обнаружим, что его плотность должна увеличиваться со временем.

Взаимосвязь между модулем расстояния (ось Y, мера расстояния) и красным смещением (ось X), а также данными квазара, желтого и синего, с данными сверхновой в голубом. Красные точки – это средние значения желтых точек квазара, связанных вместе. В то время как данные о сверхновой и квазаре согласуются друг с другом, где присутствуют оба (до красного смещения около 1,5), данные квазара идут намного дальше, что указывает на отклонение от интерпретации постоянной (сплошная линия).Г. Рисалити и Э. Луссо, arXiv: 1811.02590

Заметим, что это чрезвычайно сложное измерение, и первое, что вы можете подумать, это то, что измеренные нами квазары могут быть ненадежными как стандартная свеча.

Если это была ваша мысль: поздравляю! Это то, что произошло однажды раньше, когда люди пытались использовать гамма-всплески в качестве индикатора расстояния, чтобы выйти за рамки того, что сверхновая могла бы научить нас. Когда мы узнали больше об этих всплесках, мы обнаружили, что они изначально нестандартны, а также обнаружили наши собственные предубеждения, в которых типы всплесков мы могли обнаружить. Один или оба из этих двух типов смещения, по-видимому, играют здесь, по крайней мере, и это, как правило, считается наиболее вероятным объяснением этого результата.

Хотя выяснение того, почему это будет образовательным начинанием и проблемой, вряд ли убедит многих в том, что темная энергия не является постоянной величиной.

Ожидаемая судьба Вселенной – это вечное ускоряющееся расширение, соответствующее w, величина на оси y, равная -1 точно. Если w больше отрицательного значения, чем -1, что подтверждается некоторыми данными, наша судьба будет большим разрывом.C. Hikage et al., ArXiv: 1809.09148

Но что, если это новое исследование верно? Что, если темная энергия не является постоянной? Что если, как намекают другие наблюдения на протяжении последних двух десятилетий, со временем оно действительно меняется?

На приведенном выше графике показаны результаты нескольких разных наборов данных, но я хочу обратить ваше внимание на значение weight, показано на оси Y. Что мы называем weight уравнение состояния для темной энергии, где weight = -1 – это значение, которое мы получили бы за темную энергию, являющуюся космологической постоянной: неизменная форма энергии, присущая самому пространству. Если weight отличается от -1, однако, это может изменить все.

Различные способы, которыми темная энергия могла эволюционировать в будущее. Сохранение постоянной или увеличение силы (в Большой Разрыв) может потенциально омолодить Вселенную, в то время как изменение знака может привести к Большому Хрусту.NASA / CXC / M.Weiss

Наша стандартная судьба, где weight = -1, Вселенная будет расширяться вечно, а структуры, которые сегодня не связаны, разобщены под воздействием темной энергии. But if weight либо изменяется со временем, либо не равен -1, все это меняется.

  • Если weight менее отрицательный, чем -1 (например, -0,9 или -0,75), темная энергия со временем ослабнет и в конечном итоге станет неважной. Если weight растет со временем, и когда-либо становится положительным, это может привести к перевоплощению Вселенной в Большой Хруст.
  • Тем не менее, если этот новый результат верен, и weight является более отрицательным, чем -1 (например, -1,2 или -1,5 или хуже), тогда темная энергия будет только усиливаться со временем, вызывая расширение структуры пространства с постоянно ускоряющейся скоростью. Связанные структуры, такие как галактики, солнечные системы, планеты и даже сами атомы, будут разорваны на части после того, как пройдет достаточно времени. Вселенная закончится катастрофой, известной как Большой Разрыв.

Сценарий Большого Разрыва произойдет, если мы обнаружим, что сила темной энергии увеличивается, но со временем остается отрицательной в направлении.Джереми Теафорд / Университет Вандербильта

Стремление понять конечную судьбу Вселенной увлекло человечество с незапамятных времен. С появлением Общей теории относительности и современной астрофизики неожиданно стало возможным ответить на этот вопрос с научной точки зрения. Будет ли Вселенная расширяться вечно? Сожмется? Oscillate? Или быть разорванным на части самой физикой, лежащей в основе нашей реальности?

Ответ можно определить, посмотрев на объекты, найденные в самой Вселенной. Ключ к раскрытию нашей конечной космической судьбы, однако, зависит от того, понимаем ли мы то, на что мы смотрим, и от того, что наши ответы не предвзяты к предположениям, которые мы делаем относительно объектов, которые мы измеряем и наблюдаем. В конце концов, темная энергия не может быть постоянной, и только взглянув на саму Вселенную, мы узнаем наверняка.


Source link