Hvordan krasjer neutronstjerner drept av noen av våre beste ideer om hva "mørk energi" er

Optimistic Nihilism (Kan 2019).

Anonim

Det var mye spenning da forskere opplevde den voldelige kollisjonen av to ultra-tette, massive stjerner mer enn 100 meter lysår fra Jorden tidligere i år. Ikke bare fanget de de resulterende gravitasjonsbølgene - krusninger i stoffet av romtid - de så også en nesten øyeblikkelig lysstråle. Dette er spennende i seg selv og var det første direkte beviset for en fusjon av neutronstjerner.

Men fra et kosmologperspektiv har fotografien til gravitasjonsbølgene og lysets lys i et slag av rive år forsvunnet i et helt ubeslektet problem: Hvorfor akselererer universets ekspansjon?

Det viser seg at rom og tid faktisk er mutable, bøyelig, fleksibel og wiggly, i stedet for konstant, fast eller fast. Dette har vært kjent siden Einstein publiserte sin teori om generell relativitet, noe som forklarer hvordan tyngdekraften forvrenger spacetime. De subtile effektene som denne mutabiliteten medfører, må regnes for selv i GPS-en som gjør lørnav og iPhone-arbeidet ditt.

En prediksjon av Einsteins teori var at det skulle være mulig for romtid å ha bølger i den, som overflaten av havet. Disse ville være synlige hvis man for eksempel kunne knuse to svarte hull. Denne prediksjonen ble dramatisk sett i første deteksjon av gravitasjonsbølger ved LIGO-eksperimentet i 2015. Oppdagelsen åpnet en helt ny måte å teste kosmos på, og ble tildelt Nobelprisen for fysikk.

Den nye gjenkjenningen av gravitasjonsbølger fra fusjonen av nøytronstjerner har også dype implikasjoner for vår forståelse av universet. Men for kosmologene var det lysets lys 1, 7 sekunder etter gravitasjonsbølgene som var den mer spennende observasjonen.

Det kosmiske fartkameraet

1.7 sekunders forsinkelse er viktig fordi det betyr at gravitasjonsbølgene og lysbølgene hadde vært på reise med nesten nøyaktig samme hastighet. Faktisk er disse to av de tettest matchede observerte hastighetene noensinne: de to var forskjellig med en del i 10 milliarder kroner.

For å sette dette inn i konteksten om fartkameraene på veien kunne måle hastighetsforskjeller, så fin ville du få en billett for å gå 30.0000000000000001mph i en 30mph sone.

Sammenlignet med de beste målinger kosmologer håpet på i fremtiden er dette en faktor på en million milliarder ganger bedre. Faktorer i at de elektromagnetiske bølgene kan ha tatt litt tid for å unnslippe fra uroen til en nøytronstjernekollisjon, for all hensikt er hastighetsforskjellen null.

Kosmologi er i en bit av en syltetøy. Vi har en flott modell som kan forklare utviklingen av universet fra en brøkdel av et sekund før big bang, til nå ca 14 milliarder år senere. Problemet er at for å forklare alle observasjonene, må en mystisk energi kalt "mørk energi" legges til modellene. Mørk energi er et stort problem, det står for rundt 70% av all energi universet, og vi har absolutt ingen anelse om hva det er.

Mørk energi er som en anti-gravitasjonseffekt som skyver universet fra hverandre og forårsaker at ekspansjonen øker. For å forklare den mørke energien, har kosmologer forsøkt å forandre eller erstatte Einsteins teori for å se om en ny teori om tidsrom kan endelig forklare effekten av mørk energi.

En måte som kosmologer prøvde å gjøre dette var ved å endre hastigheten der tyngdebølger og lys reiste. Det var mange forskjellige teorier som hadde denne komponenten - hver med et merkelig navn som quartic og quintic galileons, vector-tensor teorier, generaliserte proca teorier, bigravity teorier og så videre. Uten data kunne noen av teoriene ha vært riktige, og det var mange som håpet at de kunne være neste Einstein eller Newton.

Hvor er vi nå?

Men nå er det i en enkelt observasjon fra en enkelt neutronstjernefusjon et bredt utvalg av disse blitt sendt til kosmologisk støvsuger i en flurry av papirer (her, her, her, her, her og her). Så ingen ny Einstein ennå.

I fravær av overbevisende data er det fortsatt mulig at vi kan oppdatere Einstein, slik at vi kan regne for mørk energi. Men wiggles fra gravitasjonsbølge dataene har forlatt veldig lite wriggle rom.

Alle teoriene som har overlevd beskjæringen er mye enklere enn de som var tillatt før; og den enkleste teorien, og forresten, er at mørk energi er energien i tomt rom, og bare skjer for å ha verdien vi observerer.

En annen forklaring som har overlevd er at det er et Higgs-lignende felt. Den nå berømte Higgs boson er en manifestasjon av et "Higgs-felt" - det første "skalarfeltet" observert i naturen. Dette er et felt som har en verdi på hvert punkt i tidsrom, men ingen retning. En analogi ville være et trykk kart på en værvarsel (verdier overalt men ingen retning). Et vindkart, derimot, er ikke et skalarfelt fordi det har fart og overordnet retning. Bortsett fra Higgs, er alle partikler i natur forbundet med "kvantfelt" som ikke er skalar. Men som Higgs, kan mørk energi være et unntak: et allestedsnærværende skalarfelt som skyver universet fra hverandre i hver retning.

Heldigvis må vi ikke vente lenge før nye teleskoper vil teste de gjenværende teoriene, og et stort stykke av det kosmologiske puslespillet vil bli fullført.

menu
menu