🤵🏾 🔵 👐🏾 Tanyakan Ethan No. 59: Apa itu Energi Gelap? 📀 💟 🕎

Alam semesta, tentu saja, berkembang, dan ekspansi ini semakin cepat. Tapi apa yang kita ketahui tentang proses ini selain nama sederhana "energi gelap"?

Memilih antara keputusasaan dan energi, saya akan memilih yang terakhir
- John Keats

Sepanjang minggu Anda berusaha keras untuk mencoba mengajukan pertanyaan yang mendalam dan misterius tentang Alam Semesta, dan kami punya banyak pertanyaan hebat - Sayang sekali saya hanya bisa memilih salah satunya. Minggu ini, kehormatan diberikan kepada Piusz Gupte, yang bertanya:

Kami belajar bahwa energi gelap menyumbang sekitar 70% dari energi alam semesta. Kami memiliki bukti keberadaannya melalui berbagai pengamatan. Dan itu sangat mempengaruhi evolusi alam semesta. Tapi apa itu energi gelap? Apakah kita punya ide? Apakah ada model yang bisa diterima untuknya?

Dan kami benar-benar memiliki beberapa ide bagus, tapi mari kita bandingkan dulu pengetahuan kita.

Hal pertama yang harus diterima adalah konsep ruang-waktu, serta gagasan paling penting dari teori relativitas umum: kuantitas dan jenis materi dan energi di Semesta secara tak terpisahkan terkait dengan evolusi ruang-waktu sebagaimana Semesta bergerak dalam waktu. Sebelum Einstein diyakini bahwa ruang dan waktu adalah konstan dan tetap. Di satu sisi, ada ruang yang dapat direpresentasikan sebagai kisi tiga dimensi statis, dan di sisi lain, ada waktu, sebuah kontinum tetap terpisah di mana semua titik ruang bergerak secara bersamaan.

Dalam relativitas umum, semua ini berubah sekaligus dalam dua cara - dan keduanya sangat penting.

Pertama, ruang dan waktu tidak dapat dipisahkan satu sama lain. Semua benda bergerak melalui ruang-waktu relatif satu sama lain. Dari gagasan bahwa tidak hanya posisi Anda dalam ruang dan waktu, tetapi juga kecepatan Anda, yaitu, pergerakan melalui ruang dan waktu, nama teori relativitas mengikuti. Jika Anda dan saya berada pada titik yang sama dalam ruang-waktu, tetapi Anda bergerak relatif terhadap saya pada kecepatan yang besar, maka kami bergerak secara berbeda tidak hanya melalui ruang, tetapi juga melalui waktu. Dari sinilah ide bahwa jam berjalan dengan kecepatan yang berbeda untuk pengamat dari berbagai kerangka referensi, serta paradoks kembar, berasal.

Oleh karena itu, ruang dan waktu tidak mutlak dan independen satu sama lain. Semua objek bergerak melalui ruang dan waktu, dan jika Anda bergerak melalui ruang lebih cepat dari orang lain, Anda bergerak melalui waktu lebih lambat darinya. Karena itu, ketika Anda terbang dalam roket yang bergerak dengan kecepatan 99% dari kecepatan cahaya selama 9,9 tahun cahaya, kemudian berbalik dan kembali dengan kecepatan 99% dari kecepatan cahaya kembali, Anda akan menemukan bahwa semua orang di Bumi telah berusia 20 tahun, dan Anda hanya selama 3 tahun.

Perbedaan kedua adalah bahwa ruang-waktu di mana Anda tinggal sekarang - menggambarkan seluruh Alam Semesta - berbeda dari yang ada pada saat Anda mulai membaca kalimat ini. Alam semesta mengembang seiring waktu, dan laju ekspansi ditentukan oleh berbagai jenis materi dan energi yang ada sekarang di alam semesta. Tingkat ekspansi berubah dari waktu ke waktu, karena kepadatan energi, atau jumlah materi dan energi per satuan volume, dalam materi dan radiasi berkurang ketika alam semesta mengembang.

Tetapi ada hal-hal lain selain materi dan radiasi di Semesta; Ada banyak pemain lain, termasuk:

cacat topologi
string kosmik
batas domain
kelengkungan bawaan
energi ruang yang melekat
bidang variabel yang dapat memiliki properti apa pun

Apa yang hebat dalam GR adalah kejelasan prediksi: kita hanya perlu mengukur ekspansi Semesta dari waktu ke waktu, dan kita akan mengetahui segala sesuatu tentang apa jenis materi dan energi, berapa proporsi mereka, dan dengan tingkat kepercayaan apa kita dapat mengatakan bahwa mereka adalah seperti yang kita bayangkan.

Pengamatan kami berasal dari tiga sumber: pertama, pengukuran jarak ke objek yang jauh, seperti bintang, galaksi dan supernova. Dengan mengukur kecerahan objek yang tampak, dan membandingkannya dengan aslinya, yang diketahui oleh kami, kecerahan, kami dapat menghitung jarak ke objek tersebut. Selain itu, kita dapat mengukur pergeseran merahnya, yang memberi kita gambaran tentang perluasan alam semesta sejak saat cahaya dipancarkan oleh mereka. Dan kombinasi ini memberi kita kesempatan untuk memahami bagaimana perluasan alam semesta telah berubah seiring waktu.

Metode kedua adalah pengukuran berbagai fluktuasi radiasi latar gelombang mikro. Karena sifat interaksi materi dan energi di alam semesta yang mengembang, dan karena radiasi residu Dentuman Besar tidak berserakan pada materi terionisasi, karena alam semesta baru berusia beberapa ratus ribu tahun, kita dapat memperoleh gambaran tentang keadaan alam semesta di mana ia sangat untuk waktu yang lama. Tetapi semua cahaya ini menempuh 13,8 miliar tahun sebelum kita, dan mengalami pergeseran merah ketika Semesta meluas, yang memberi kita dimensi lain bagi seluruh sejarah ekspansi kosmik.

Akhirnya, seseorang dapat mempelajari struktur alam semesta pada skala terbesar. Karena kompetisi ruang luar biasa yang telah berlangsung sepanjang waktu sejak kelahiran Alam Semesta - antara gravitasi, menarik materi dan membentuk struktur yang berkontraksi, dan ekspansi, yang membuat semuanya terpisah, kita dapat mempelajari ukuran, skala, kepadatan struktur, serta evolusi mereka dalam periode yang lama. waktu, yang memberi kita metode pengukuran ketiga.

Dengan menggabungkan ketiga metode ini, kita dapat memeriksa konektivitas dan akurasinya dengan menunjukkan bahwa mereka semua memberikan hasil yang sama, yang bertepatan dengan semua data. Dan saya punya kabar baik untuk Anda: semuanya sama!

Dengan alat-alat seperti itu, kita dapat mengetahui apa yang terdiri dari Alam Semesta, sambil menghitung tingkat kepercayaan kita terhadap angka-angka ini. Sekarang diyakini bahwa komposisinya adalah sebagai berikut:

0,01% — ,
4,9% — , ,
27% — , , 0,1%,
68% —

Jadi apa "energi gelap" seperti itu?

Sejauh seseorang dapat menilai dari pengamatan evolusi bentuk energi ini, ia tidak dapat dibedakan dari konstanta kosmologis. Dalam relativitas umum, konstanta kosmologis melekat dalam ruang, jadi ketika alam semesta mengembang dan ruang baru muncul di antara galaksi, kerapatan energi gelap tidak berkurang, meskipun kerapatan semua yang lain hanya turun! Itulah sebabnya perluasan alam semesta berakselerasi tidak hanya sekarang - ia terus melakukannya selama 6 miliar tahun terakhir.

Dalam teori medan kuantum, konstanta kosmologis setara dengan energi nol dari kekosongan kuantum, yaitu, efek yang diamati mungkin terkait dengan medan kuantum Alam Semesta dan gravitasi, meskipun kita masih tidak dapat membayangkan bagaimana cara memasukkannya ke dalam angka.

Seseorang juga harus menyadari kemungkinan bahwa energi gelap bukanlah konstanta kosmologis: ia bisa lebih lemah (atau lebih kuat) di masa lalu, atau bisa menjadi lebih lemah (atau lebih kuat) di masa depan. Tetapi dengan peningkatan metode observasi, keterbatasan kemungkinan ini menjadi sangat ketat.

Sangat mudah untuk mengukur perubahan energi gelap dalam waktu - hingga urutan pertama - dengan parameter persamaan w. Jika w = -1.0, maka konstanta kosmologis muncul di pembuangan kami. Jika w = -1/3, kita memiliki kelengkungan ruang; jika w = -2/3, maka batas-batas domain, dan, pada prinsipnya, parameter secara umum dapat berubah dalam waktu.

Energi gelap adalah konstan ketika w _a = 0, w ₀ = -1, apalagi, jika nilai w ₀kurang dari _a , maka energi gelap menguat dari waktu ke waktu.

Paling mudah untuk menerima bahwa nilainya konstan, dan sekarang data yang diperoleh memberi kita nilai w = -1,02 ± 0,08, yang, secara umum, cukup banyak mengisyaratkan bahwa ini sebenarnya adalah konstanta kosmologis, atau energi yang melekat dalam ruang, atau energi nol dari vakum kuantum, yang dengan sendirinya lebih besar dari nol. Jika tiba-tiba ternyata w <-1.0, Semesta akan mengakhiri hidupnya dengan celah besar - kami mempertimbangkan opsi luar biasa ini baru-baru ini.

Tugas astronom saat ini dari abad ke-21 (dan mungkin abad-abad berikutnya) adalah untuk mengetahui apakah persamaan w = -1.0000 dipenuhi dengan akurasi sewenang-wenang dan dengan angka desimal yang semakin meningkat. Dan tugas ahli teori adalah untuk memperjelas pertanyaan tentang apa artinya ini bagi Semesta, atau bagaimana menghitung nilai ini berdasarkan GR atau teori medan kuantum. Sejauh ini, semua data menunjukkan konstanta kosmologis - tetapi Anda tidak pernah tahu sebelumnya. Ini bisa berubah menjadi bidang skalar, tensor, atau dinamis, dengan perilaku yang lebih kompleks daripada yang kita lihat sejauh ini. Tapi itu juga bisa berubah menjadi energi sederhana yang melekat di ruang angkasa, dan dengan tidak adanya pengamatan yang membantah asumsi ini, lebih baik untuk menempatkan hanya opsi ini.

Terima kasih atas pertanyaan mewahnya, Piusz, dan atas kesempatan yang kita miliki untuk mempelajari sedikit lebih banyak tentang kekuatan dan sumber energi Semesta, yang paling sedikit diketahui. Masih banyak yang harus dipelajari, tetapi meskipun topik ini masih merupakan salah satu misteri terbesar, banyak yang sudah diketahui tentang itu! Kirimkan pertanyaan Anda kepada kami untuk mendapat kesempatan membaca jawaban untuk pertanyaan Anda.

Tanyakan Ethan No. 59: Apa itu Energi Gelap?

Alam semesta, tentu saja, berkembang, dan ekspansi ini semakin cepat. Tapi apa yang kita ketahui tentang proses ini selain nama sederhana "energi gelap"?

More articles: