👨‍🏭 🛶 👩🏽‍🎨 Fragen Sie Ethan Nr. 83: Was ist, wenn dunkle Energie nicht real ist? 🤘🏿 👦🏿 🏳️‍🌈

Wenn unsere „Standardkerzen“ nicht sehr Standard sind, gibt es dann dunkle Energie?

Einige: "Die Welt wird im Feuer enden!"
- "Nein, es wird das Eis zerstören!"
Wenn mir Leidenschaft bekannt ist,
würde ich lieber in einem Feuer brennen.
Aber wenn der Tod zweimal wartet,
wie zerbrechlich die Welt ist, kann ich verstehen,
Eishass kennen:
Die Welt brechen
und das Eis wird fallen.
- Robert Frost

Von Zeit zu Zeit finden in der Wissenschaft erstaunliche Entdeckungen statt, die unser Verständnis des Universums für immer verändern. In den späten 1990er Jahren zeigten Beobachtungen entfernter Supernovae deutlich, dass sich das Universum nicht nur ausdehnt, sondern dass entfernte Galaxien die Fluchtgeschwindigkeit von uns erhöhen. Diese Entdeckung, die mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, erzählte uns vom Schicksal unseres Universums. Aber unter Ihren Fragen in dieser Woche gibt es eine Frage von Juan Carlos, der eine neue Studie erwähnte und eine Frage dazu stellte:

Ich habe hier einen Artikel über Eurekalert gelesen und dachte, Sie müssen ihn auch lesen. Ich kann Ihre Kommentare zu ihr kaum erwarten.

Der Artikel wurde in einer Pressemitteilung der University of Arizona verfasst - ich war erst vor einigen Jahren als Postdoc dort. Es heißt folgendes:

Das Universitäts-Team stellte fest, dass die Art der Supernovae, die üblicherweise zur Messung von Entfernungen im Universum verwendet wird, in bisher unbekannte Kategorien unterteilt ist.

Dies ist möglicherweise ein sehr schwerwiegender Faktor, der unser Verständnis des Universums und seines Schicksals beeinflusst. Gehen wir 100 Jahre zurück zu der Lektion, die wir lernen mussten, und gehen wir heute zurück, um zu sehen, warum.

Im Jahr 1923 untersuchte Edwin Hubble obskure, dunkle "Spiralnebel" am Himmel, studierte die darin vorkommenden Supernovae und versuchte, die Essenz dieser Objekte in die Schatzkammer unseres Wissens aufzunehmen. Einige argumentierten, dass dies die Embryonen der Sterne in der Milchstraße waren, andere glaubten, dass es sich um „Inseluniversen“ handelte, die Millionen von Lichtjahren von unserer Galaxie entfernt waren und aus Milliarden von Sternen bestanden.

Als er am 6. Oktober dieses Jahres in Andromeda einen großen Nebel beobachtete, sah er eine Explosion eines neuen Sterns, dann einen zweiten und dann einen dritten. Und dann passierte etwas Beispielloses: Das vierte Neue erschien genau anstelle des ersten.

Explosionen neuer Sterne treten manchmal wiederholt auf, dafür benötigen sie jedoch normalerweise Hunderte und Tausende von Jahren, da sich Kraftstoff auf der Oberfläche eines kollabierten Sterns in einer Menge ansammelt, die ausreicht, um sich zu entzünden. Von all den neuen Sternen, die wir entdeckt haben, dauert selbst die schnellste Wiederzündung der Sterne viele Jahre. Die Idee, mehrere Stunden lang neu zu sein, war absurd.

Aber es gab ein uns bekanntes Objekt, das in wenigen Stunden von hell zu dunkel und zurück wechseln konnte: einen variablen Stern! (Deshalb schlug er den Buchstaben "N" aus, der einen neuen bezeichnet, und schrieb "VAR" - eine Variable).

Die unglaubliche Arbeit von Henrietta Swan Leavitt lehrte uns, dass einige Sterne im Universum - Cepheiden, pulsierende variable Sterne - mit einer bestimmten Periode von hell zu dunkel wechseln, und diese Periode ist untrennbar mit ihrer wahren Helligkeit verbunden. Dies ist wichtig, denn wenn Sie die Periode messen (was einfach ist), kennen Sie die wahre Helligkeit des Sterns. Und da Sie die sichtbare Helligkeit leicht messen können, erkennen Sie sofort die Entfernung zum Objekt, da das Verhältnis von Helligkeit zu Reichweite seit Hunderten von Jahren bekannt ist!

Hubble verwendete diese Informationen über variable Sterne und die Tatsache, dass wir sie in diesen Spiralnebeln (heute als Galaxien bekannt) finden können, um ihre Entfernung zu uns zu messen. Er verglich ihre bekannte Rotverschiebung mit Entfernungen und leitete das Hubble-Gesetz und die Expansionsrate des Universums ab.

Cool, oder? Leider stellen wir diese Entdeckung oft in einem zu günstigen Licht dar: Hubbles Schlussfolgerungen über die Geschwindigkeit der Expansion des Universums waren falsch!

Das Problem war, dass die von Hubble in diesen Galaxien gemessenen Cepheid-Variablen sich von den von Henrietta Leavitt gemessenen Cepheiden unterschieden. Es stellte sich heraus, dass die Cepheiden in zwei Klassen unterteilt sind, die Hubble nicht kannte. Und obwohl Hubbles Gesetz funktionierte, waren seine anfänglichen Schätzungen der Entfernungen zu klein, und daher waren seine Annahmen über die Geschwindigkeit der Expansion des Universums zu groß. Im Laufe der Zeit haben wir sie korrigiert, und obwohl sich die allgemeinen Schlussfolgerungen - dass sich das Universum ausdehnt und dass Spiralnebel Galaxien sind, die von unseren entfernt sind - nicht geändert haben, haben sich die Details der Erweiterung definitiv geändert!

Schneller Vorlauf bis heute.

Supernovae leuchten heller als Cepheid und können - wenn auch nur für kurze Zeit - ihre gesamte Galaxie an Helligkeit übertreffen! Anstelle von Millionen von Lichtjahren können sie unter günstigen Umständen in Entfernungen von mehr als zehn Milliarden Lichtjahren gesehen werden, was es uns ermöglicht, immer weiter in das Universum zu schauen. Zusätzlich wird eine spezielle Art von Supernova, Ia, aus einer außer Kontrolle geratenen Synthesereaktion in weißen Zwergen erhalten.

Wenn solche Reaktionen auftreten, wird der gesamte Stern zerstört, aber was wichtig ist, die Supernova-Lichtkurve, dh wie sie mit der Zeit heller und dann dunkler wird, ist bekannt und hat universelle Eigenschaften.

Bis Ende der neunziger Jahre wurden genügend Daten zu Supernovae gesammelt, die sich in ausreichend großen Entfernungen befanden, und zwei unabhängige Teams - das High-z Supernova Search Team und das Supernova Cosmology Project - gaben bekannt dass die Beschleunigung der Expansion des Universums aus diesen Daten folgt und dass irgendeine Form von dunkler Energie im Universum dominiert.

Wie viele andere war ich skeptisch, denn wenn die Supernovae nicht so gut untersucht worden wären, wie wir denken, müssten all diese Schlussfolgerungen zurückgewiesen werden.

Erstens können Supernovae auf zwei verschiedene Arten auftreten: durch die Ansammlung von Materie von einem Begleitstern (L) und durch die Verschmelzung mit einem anderen weißen Zwerg ®. Werden diese Wege zum Auftreten identischer Supernovae führen?

Zweitens können diese Supernovae, die über große Entfernungen verteilt sind, unter Bedingungen auftreten, die sich stark von denen unterscheiden, die uns nahe stehen. Stimmt es, dass die Lichtkurven, die wir sehen, Lichtkurven in großen Entfernungen entsprechen?

Drittens ist es möglich, dass diesem Licht etwas passiert ist, während er seine erstaunliche Reise in eine riesige Entfernung unternahm. Gibt es wirklich keine neue Art von Staub oder irgendeine Eigenschaft, die das Licht dämpft (zum Beispiel Photon-Axion-Schwingungen)?

Es stellt sich heraus, dass all diese Probleme gelöst und abgewiesen werden können. Sie sind kein Problem. Aber vor kurzem - als wir uns dem Kern des Problems von Juan Carlos näherten - stellten wir fest, dass diese so genannten "Standardkerzen" sind möglicherweise nicht so Standard. So wie Cepheiden von unterschiedlichem Typ sind, sind auch diese Supernovae vom Typ Ia von unterschiedlichem Typ.

Stellen Sie sich vor, Sie haben eine Schachtel Kerzen, die Sie für identisch hielten: Sie könnten sie anzünden, in unterschiedlichen Abständen platzieren und sofort durch Messen der scheinbaren Helligkeit herausfinden, wie weit sie waren. Diese Idee wird in der Astronomie verwendet, und daher werden Supernovae vom Typ Ia für uns so benötigt.

Stellen Sie sich nun vor, dass die Flamme dieser Kerzen unterschiedliche Helligkeit hat! Plötzlich stellen sich einige als etwas heller oder etwas dunkler heraus; Sie haben zwei Arten von Kerzen, und die helleren sind möglicherweise näher bei Ihnen und die dunkleren weiter.

Dies ist, was wir vielleicht bei Supernovae entdeckt haben: Es gibt zwei verschiedene Klassen, und eine ist im Blau / Ultraviolett-Bereich etwas heller und die andere im Rot / Infrarot-Bereich heller, und ihre Lichtkurven sind unterschiedlich. Dies kann bedeuten, dass bei Rotverschiebungen (großen Entfernungen) die Supernovae selbst nur schwächer und nicht weiter von uns entfernt sind.

Mit anderen Worten, unsere Schlussfolgerung über die Beschleunigung der Expansion des Universums kann auf einer falschen Interpretation der Daten beruhen!

Wenn wir die Abstände zu diesen Supernovae falsch gemessen haben, haben wir uns vielleicht über die dunkle Energie geirrt! Zumindest bei dieser Gelegenheit wären wir sehr besorgt. Wir wären nicht so besorgt, wenn die dunkle Energie nicht verschwunden wäre, aber es wäre weniger gewesen als bisher angenommen.

Welche dieser Sorgen sind also real? Es stellt sich heraus, dass nur ein Grund für wenig Aufregung. 1998 sprachen nur Daten über Supernovae für dunkle Energie. Im Laufe der Zeit haben wir zwei weitere gleich starke und unabhängige Beweise gesammelt.

1) Hintergrundstrahlung mit kosmischer Mikrowelle. Schwankungen des vom Urknall verbleibenden Lichts - gemessen vom WMAP-Projekt und dann mit größerer Genauigkeit und dem Plank-Projekt - zeigen deutlich, dass das Universum 5% normale Materie, 27% dunkle Materie und 68% dunkle Energie enthält. Und obwohl Mikrowellenstrahlung allein nicht über die Eigenschaften der Dunklen Energie spricht, heißt es, dass 2/3 der Energie des Universums in einer Form vorliegen, die nicht zerknittert und nicht zur Masse gehört.

Für eine Weile war dies ein Problem, da die Supernovae selbst sagten, dass die Dunkle Energie 3/4 des Universums ausmacht. Vielleicht helfen uns neue Entdeckungen bei Supernovae, Daten besser aufzubauen.

2) Die Art und Weise, wie sich Galaxien in Clustern sammeln. Im frühen Universum kontrollierten dunkle Materie und normale Materie - und wie sie mit Strahlung interagieren oder nicht interagieren -, wie sich Galaxien derzeit in Clustern versammelten. Wenn Sie sich eine Galaxie im Universum ansehen, werden Sie feststellen, dass sie eine seltsame Eigenschaft hat: Eine andere Galaxie befindet sich eher in einer Entfernung von 500 Millionen Lichtjahren und eine kleinere in einer Entfernung von 400 oder 600 Millionen Jahren. Dieses Phänomen ist als Baryon Acoustic Oscillations (BAO) bekannt und beruht auf der Tatsache, dass normale Materie Strahlungsdruck erfährt und dunkle Materie nicht.

Die Sache ist, dass sich das Universum aufgrund von allem, was in ihm vorhanden ist, einschließlich der dunklen Energie, ausdehnt. Mit der Expansion des Universums ändert sich daher diese bevorzugte Entfernung von 500 Millionen Lichtjahren. Anstelle von „Standardkerzen“ können wir mit BAO ein „Standardlineal“ verwenden, mit dem auch die Dunkle Energie gemessen werden kann.

Es stellt sich heraus, dass Messungen mit BAO nicht schlechter sind als Messungen mit Supernovae und dieselben Ergebnisse liefern: Das Universum besteht zu 70% aus dunkler Energie und entspricht dem Vorhandensein einer kosmologischen Konstante und nicht Domänenwänden, kosmischen Strings oder anderen exotischen Theorien .

Wenn wir alle drei Datensätze kombinieren, stellen wir fest, dass sie uns ein ungefähr ähnliches Bild geben.

Was wir gelernt haben, ist, dass sich die Menge an dunkler Energie und ihr Typ, die wir aus Supernovae ableiten, geringfügig ändern können, und dies kann uns sogar helfen, die drei angegebenen Methoden - Supernovae, KMFI und BAO - in die beste Übereinstimmung zu bringen. Dies ist einer dieser großen Momente der Wissenschaft, in denen eine falsche Annahme uns nicht zwingt, alle Ergebnisse und Schlussfolgerungen zu verwerfen, sondern das Phänomen, das uns von dem Moment an, als es entdeckt wurde, in Verwirrung stürzte, genauer zu verstehen.

Dunkle Energie existiert und dank einer neuen Entdeckung können wir sie sogar verstehen - und ihre Wirkung auf das Universum ist besser als zuvor. Vielen Dank an den Leser für die Gelegenheit, über eine so interessante Entdeckung zu sprechen. Senden Sie mir Ihre Fragen und Vorschläge zu den folgenden Artikeln.

Fragen Sie Ethan Nr. 83: Was ist, wenn dunkle Energie nicht real ist?

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