Fragen Sie Ethan: Kann dunkle Energie zu einer Wiederholung des Lebenszyklus des Universums führen?

Es gibt eine übernatürliche Ähnlichkeit mit dem Beginn unseres Universums - der Periode der kosmischen Inflation und der Bestimmung des endgültigen Schicksals des Universums durch die beschleunigte Expansion der Dunklen Materie. Unwillkürlich werden Sie darüber nachdenken, ob sie verwandt sind. Diese Woche habe ich eine Leserfrage von Andrew Gillette ausgewählt:

Wenn die ewige Inflation wahr ist, kann dunkle Energie ein Vorläufer für die Rückkehr zu diesem ursprünglichen Zustand sein?

Dies ist nicht nur möglich, dunkle Energie hängt nicht von der Richtigkeit der Theorie der fortwährenden Inflation ab. Beginnen wir mit der Phase, die dem Beginn des Universums vorausging und dessen Offensive vorbereitete: mit kosmischer Inflation.


Die Temperatur des Universums ist überall gleich, auch in kausal unabhängigen Teilen des Himmels

Als das vertraute Universum, gefüllt mit Materie und Strahlung, zu existieren begann, waren einige seiner anfänglichen Eigenschaften ziemlich seltsam, und im Prinzip mussten sie nicht so sein. Es war räumlich flach, hatte überall die gleiche Temperatur, keine Relikte ultrahoher Energien und ein sehr spezifisches Bild von Regionen mit hoher und niedriger Dichte. Es ist möglich, dass das Universum mit genau solchen Eigenschaften geboren wurde, aber die Idee der kosmischen Inflation ist, dass, wenn das Universum mit einer Periode exponentieller Expansion begann, in der der Raum innere Energie hatte und diese Periode dann endete, der Urknall mit genau solchen Eigenschaften ausgefallen wäre . Es dauerte viele Jahre, um alle Konsequenzen dieser Idee richtig zu berechnen, und noch mehr Zeit, um ihre Bestätigung aus Daten über Schwankungen des CMB zu erhalten. Aber jetzt ist die kosmische Inflation der allererste Prozess, von dem wir Beweise haben.



Perpetual Inflation ist eine Idee im Zusammenhang mit Inflation, die auf einer Immobilie basiert, an die Sie wahrscheinlich selten gedacht haben. Normalerweise findet jeder natürliche Übergangsprozess - zum Beispiel ein Kessel mit heißem Wasser, der vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht - an mehreren Stellen gleichzeitig statt, und diese Stellen dehnen sich aus und verschmelzen dann miteinander. Im Fall von kochendem Wasser nennen wir dies „Versickerung“, das Auftreten kleiner Blasen, die sich auf dem Weg nach oben vereinigen, und wenn sie die Oberfläche erreichen, werden sie bereits groß. Es gibt jedoch ein Problem mit der Inflation: Die Regionen, in denen die Inflation nicht beendet wurde, expandieren weiter exponentiell, wodurch verhindert wird, dass die Regionen, in denen sie endete, „versickern“. Dementsprechend sollte unser beobachtbares Universum in der gesamten Blase erscheinen, in der die Inflation endete, und nicht in mehreren miteinander verschmolzenen Blasen.



Aber am anderen Ende des Spektrums gibt es eine Tatsache der Beschleunigung der Expansion des Universums. Die beste Erklärung dafür, die der gemessenen Realität mit der höchsten uns zur Verfügung stehenden Genauigkeit entspricht, ist, dass dem Raum selbst kleine Energie innewohnt: Wir nennen sie dunkle Energie. Diese Energie ist allgegenwärtig, an allen Orten gleichermaßen vorhanden und äußerst klein: Wenn Sie sie durch Einsteins E = mc ² in Masse umwandeln, erhalten Sie das Äquivalent eines Protons pro Kubikmeter. Der Raum ist aber nicht nur riesig, er erweitert sich auch! Mit der Zeit wird diese dunkle Energie immer wichtiger und führte nach 8 Milliarden Jahren zu einer Beschleunigung der Expansion des Universums und wurde später zur dominierenden Energie.



Diese beiden Perioden mögen unterschiedlich erscheinen: Inflation und beschleunigte Expansion einige Zeit nach dem Start. In der Tat unterscheidet sich die Reihenfolge der Energien um etwa das 10 ^120- fache, das heißt extrem! Aber beide beschäftigen sich mit der Energie, die dem Raum selbst innewohnt. Beide bewirken, dass sich das Gewebe des Kosmos exponentiell ausdehnt, und im Laufe der Zeit von Bruchteilen einer Sekunde bei Inflation bis zu Billionen von Jahren bei dunkler Energie tragen sie alles weg, was nicht verbunden ist in eine integrale Struktur. Es gibt so viele Modelle, die versuchen, diese Prozesse zu kombinieren, die als Quintessenz bekannt sind.

Was sind also die Möglichkeiten des Universums, den Zyklus seiner Existenz zu wiederholen? Bisher gibt es zwei gute Kandidaten.



1) Wenn dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist, kann sich herausstellen, dass es sich um Restenergie aus der Inflationsperiode handelt, ab der alles begann. In diesem Fall gibt es keinen Grund, warum es im Laufe der Zeit nicht in einen noch niedrigeren Energiezustand abfallen kann. Vielleicht führt dies zu einer großen Anzahl von Teilchen mit extrem kleiner Masse wie Neutrinos, Axionen oder etwas noch Exotischerem, die sich wahrscheinlich zu Analoga von Sternen, Planeten oder sogar Menschen in einem ausreichend großen Zeitmaßstab zusammenschließen können. Nur weil es für uns unzugänglich ist, heißt das nicht, dass es unmöglich ist, und dies ist eines der wahrscheinlichen Schicksale des Universums in großem Maßstab, selbst wenn es Jahre dauern wird.

2) Dunkle Energie ist zwar keine kosmologische Konstante, kann aber mit der Zeit ihre Stärke erhöhen. In diesem Fall wird es weiter wachsen, was zu einer „großen Lücke“ führen wird, in der jede verbundene Struktur des Universums schließlich gebrochen wird. Aber laut Eric Gawisers Drehbuch ist es möglich, dass im allerletzten Moment - wenn der Weltraum selbst platzt - diese dem Weltraum innewohnende Energie, die nicht von der Inflation zu unterscheiden ist, den Übergang zum heißen Urknall vollzieht! Das Szenario eines „wiederhergestellten“ Universums kann nicht nur für unsere ferne Zukunft, sondern auch für unsere Vergangenheit Realität sein - daher kann das Universum viel älter sein als es aussieht und vielleicht sogar unendlich alt!



Bisher deuten die besten uns vorliegenden Beweise darauf hin, dass die Dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist, d.h. Szenario 2 funktioniert nicht. Wenn es keinen niedrigeren Energiezustand gibt, wird das erste Szenario ausgeschlossen - aber bisher haben wir nicht genügend Informationen, um eines davon auszuschließen. Wenn ich mich entscheiden müsste, würde ich sagen, dass ein Übergang zu einem niedrigeren Energieniveau wahrscheinlicher ist, aber unsere Daten unterstützen die Idee der Dunklen Energie als echte kosmologische Konstante besser. Aber bis dies definitiv bestätigt ist, ist es notwendig, auf alle Gelegenheiten vorbereitet zu sein!

Die EUCLID- , WFIRST- und LSST- Missionen werden uns helfen, die Dunkle Energie mit noch größerer Genauigkeit zu messen, was Argumente für oder gegen die beiden genannten Möglichkeiten liefern sollte, und die Entwicklungen in der theoretischen Hochenergiephysik können uns mehr über die erste Möglichkeit erzählen. Auf jeden Fall lautet die Antwort auf Andrews Frage, dass dunkle Energie die Rückkehr des heißen Urknalls nach einem Zustand ankündigen kann, der der Inflation ähnelt, aber das hängt nicht von der ewigen Natur der Inflation selbst ab!