Tanyakan Ethan: dapatkah energi gelap mengarah pada pengulangan siklus kehidupan alam semesta?

Ada beberapa kemiripan supernatural dengan permulaan Alam Semesta kita - periode inflasi kosmis, dan menentukan nasib akhir Semesta dengan percepatan ekspansi materi gelap. Tanpa sadar, Anda akan mulai merenungkan apakah mereka terkait. Minggu ini saya memilih pertanyaan pembaca oleh Andrew Gillette yang bertanya:

Jika inflasi abadi benar, bisakah energi gelap menjadi pendahulu untuk kembali ke keadaan semula?

Ini tidak hanya mungkin, energi gelap tidak bergantung pada kebenaran teori inflasi abadi. Mari kita mulai dengan tahap yang mendahului permulaan Alam Semesta dan mempersiapkan serangannya: dengan inflasi kosmik.


Suhu alam semesta adalah sama di mana-mana, bahkan di bagian-bagian langit yang independen

Ketika Alam Semesta yang akrab, penuh dengan materi dan radiasi, mulai ada, beberapa sifat awalnya agak aneh, dan pada prinsipnya, mereka tidak harus seperti itu. Itu datar secara spasial, di mana pun ia memiliki suhu yang sama, tidak memiliki peninggalan energi sangat tinggi, dan memiliki gambaran yang sangat spesifik tentang daerah dengan kepadatan tinggi dan rendah. Mungkin saja Semesta dilahirkan hanya dengan sifat-sifat seperti itu, tetapi ide inflasi kosmis adalah bahwa jika Semesta dimulai dengan periode ekspansi eksponensial, di mana ruang memiliki energi internal, dan kemudian periode ini berakhir, maka Big Bang akan berubah dengan sifat-sifat seperti itu. . Butuh bertahun-tahun untuk menghitung dengan benar semua konsekuensi dari ide ini, dan bahkan lebih banyak waktu untuk mendapatkan konfirmasi dari data tentang fluktuasi CMB. Tetapi sekarang, inflasi kosmik adalah proses pertama yang kami miliki buktinya.



Inflasi abadi adalah ide yang berkaitan dengan inflasi berdasarkan properti yang mungkin jarang Anda pikirkan. Biasanya, setiap proses transien alami - misalnya, ketel dengan air panas yang mengalir dari cairan ke bentuk gas - terjadi di beberapa tempat sekaligus, dan tempat-tempat ini meluas dan kemudian bergabung bersama. Dalam kasus air mendidih, kami menyebutnya "perkolasi," munculnya gelembung kecil di bawah, menyatu di sepanjang jalan, dan pada saat mereka mencapai permukaan, mereka sudah menjadi besar. Tetapi ada masalah dengan inflasi: daerah-daerah di mana inflasi belum berakhir terus berkembang secara eksponensial, yang mencegah daerah di mana ia berakhir, "meresap". Dengan demikian, Semesta kita yang dapat diamati seharusnya muncul di dalam seluruh gelembung di mana inflasi berakhir, dan bukan dari beberapa gelembung yang bergabung satu sama lain.



Tetapi di ujung spektrum yang berlawanan ada fakta percepatan ekspansi Alam Semesta. Penjelasan terbaik untuk itu, yang sesuai dengan realitas terukur dengan akurasi tertinggi yang tersedia bagi kita, adalah bahwa energi kecil melekat dalam ruang itu sendiri: kita menyebutnya energi gelap. Energi ini ada di mana-mana, sama-sama hadir di semua tempat, dan sangat kecil: jika Anda mengubahnya menjadi massa melalui E = mc ² Einstein, Anda mendapatkan setara dengan satu proton per meter kubik. Tetapi ruang tidak hanya besar, tetapi juga mengembang! Jadi, seiring waktu, energi gelap ini menjadi lebih penting, dan sebagai hasilnya, setelah 8 miliar tahun, itu menyebabkan percepatan ekspansi Alam Semesta, dan kemudian menjadi energi dominan.



Dua periode ini mungkin tampak berbeda: inflasi dan percepatan ekspansi beberapa saat setelah dimulainya. Memang, urutan energi berbeda sekitar 10 ¹²⁰ kali, yaitu sangat! Tetapi keduanya berurusan dengan energi yang melekat dalam ruang itu sendiri, keduanya menyebabkan jaringan kosmos meluas secara eksponensial, dan seiring waktu, dari sepersekian detik dalam kasus inflasi hingga triliunan tahun dalam kasus energi gelap, mereka akan membawa semua yang tidak terhubung. menjadi struktur yang tidak terpisahkan. Ada begitu banyak model yang mencoba menggabungkan proses-proses ini, yang dikenal sebagai intisari.

Jadi apa saja kemungkinan alam semesta untuk mengulangi siklus keberadaannya? Sejauh ini, ada dua kandidat yang bagus.



1) Jika energi gelap adalah konstanta kosmologis, ia dapat berubah menjadi energi residual dari periode inflasi dari mana semuanya dimulai. Dalam hal ini, tidak ada alasan mengapa ia tidak dapat membusuk ke tingkat energi yang lebih rendah dari waktu ke waktu. Mungkin ini akan memunculkan sejumlah besar partikel dengan massa yang sangat kecil, seperti neutrino, axion, atau sesuatu yang bahkan lebih eksotis, yang kemungkinan dapat bersatu bersama untuk membentuk analog bintang, bintang, atau bahkan manusia dalam skala waktu yang cukup besar. Hanya karena itu tidak dapat diakses oleh kita tidak berarti bahwa itu tidak mungkin, dan ini adalah salah satu kemungkinan nasib Semesta dalam skala besar waktu, bahkan jika itu membutuhkan Google tahun yang akan datang.

2) Energi gelap mungkin bukan konstanta kosmologis, tetapi dapat meningkatkan kekuatannya seiring waktu. Dalam hal ini, ia akan terus tumbuh, yang akan mengarah pada skenario "celah besar" di mana setiap struktur yang terhubung dari Alam Semesta pada akhirnya akan rusak. Tetapi menurut skenario Eric Gawiser , ada kemungkinan bahwa pada saat-saat terakhir - ketika ruang itu sendiri akan meledak - energi yang melekat dalam ruang ini, tidak dapat dibedakan dari inflasi, akan membuat transisi ke Big Bang yang panas! Skenario Alam Semesta yang "dipulihkan" bisa menjadi kenyataan tidak hanya untuk masa depan kita yang jauh, tetapi juga untuk masa lalu kita - karena itu, Alam Semesta bisa jauh lebih tua daripada kelihatannya, dan mungkin bahkan jauh lebih tua!



Sejauh ini, bukti terbaik yang tersedia bagi kita menunjukkan bahwa energi gelap adalah konstanta kosmologis, yaitu Skenario 2 tidak berfungsi. Jika tidak ada keadaan energi yang lebih rendah, maka skenario 1 dikecualikan - tetapi sejauh ini kami tidak memiliki informasi yang cukup untuk mengecualikan salah satunya. Jika saya harus memilih, saya akan mengatakan bahwa transisi ke tingkat energi yang lebih rendah lebih mungkin, tetapi data kami lebih baik mendukung gagasan energi gelap sebagai konstanta kosmologis nyata. Tetapi sampai ini benar-benar dikonfirmasi, perlu dipersiapkan untuk setiap peluang!

Misi EUCLID , WFIRST dan LSST akan membantu kita mengukur energi gelap dengan akurasi yang lebih besar, yang seharusnya memberikan argumen untuk atau menentang dua kemungkinan yang disebutkan, dan perkembangan dalam fisika energi tinggi teoretis dapat memberi tahu kita lebih banyak tentang kemungkinan pertama. Dalam kasus apa pun, jawaban atas pertanyaan Andrew adalah bahwa energi gelap dapat menandakan kembalinya Big Bang setelah keadaan yang menyerupai inflasi, tetapi itu tidak bergantung pada sifat abadi inflasi itu sendiri!