Gagasan seniman tentang masa-masa Semesta di mana bintang-bintang pertama terbentuk. Karena cahaya dan penggabungan mereka, mereka akan memancarkan radiasi, baik elektromagnetik maupun gravitasi. Tetapi apakah konversi materi menjadi energi mampu menciptakan antigravitasi?Ada teka-teki tentang cara pengetahuan kita tentang Semesta, jawabannya belum diketahui siapa pun. Materi gelap, energi gelap, inflasi kosmik - semua gagasan ini tidak lengkap, dan kita tidak tahu jenis partikel atau bidang apa yang bertanggung jawab untuknya. Mungkin saja, meskipun sebagian besar profesional menganggap mustahil satu atau lebih dari teka-teki ini memiliki solusi tidak standar yang tidak diharapkan oleh kita semua.
Untuk pertama kalinya dalam sejarah kolom "Tanya Ethan", saya menerima
pertanyaan dari seorang pemenang Nobel -
John Cromwell Mather - yang ingin tahu apakah bintang-bintang, yang mengubah massa menjadi energi, dapat bertanggung jawab atas efek yang dikaitkan dengan energi gelap:
Apa yang terjadi pada gravitasi yang dihabiskan massa yang hilang dalam proses mengubahnya menjadi cahaya dan neutrino oleh reaksi nuklir yang terjadi di bintang-bintang, atau ketika massa berkumpul di lubang hitam, atau ketika itu berubah menjadi gelombang gravitasi? Dengan kata lain, apakah gelombang gravitasi, gelombang elektromagnetik, dan neutrino merupakan sumber gravitasi yang sama persis dengan massa yang ada sebelumnya yang berubah menjadi mereka, atau tidak?
Ide yang luar biasa. Mari kita cari tahu alasannya.
Ilustrasi artistik dari penggabungan dua bintang neutron. Grid ruang-waktu yang ditutupi oleh gelombang mewakili gelombang gravitasi yang dipancarkan selama tabrakan, dan sinar adalah jet sinar gamma yang menembak beberapa detik setelah gelombang gravitasi (astronom mendeteksi mereka dalam bentuk ledakan sinar gamma ). Dalam peristiwa semacam itu, massa berubah menjadi dua jenis radiasi.Dalam teori relativitas umum Einstein, model Alam Semesta yang memberikan solusi tepat dapat dibangun hanya dalam beberapa cara. Kita dapat secara akurat menggambarkan ruang-waktu di alam semesta yang benar-benar kosong. Jika Anda menempatkan satu massa di alam semesta yang kosong, tugas akan menjadi jauh lebih rumit, tetapi solusinya masih dapat ditulis. Dan jika Anda menempatkan massa kedua di alam semesta seperti itu, tugas itu tidak akan terpecahkan. Kami hanya dapat membuat perkiraan, dan mencoba mencari solusi numerik. Properti ruang-waktu yang rumit dan rumit ini, sehingga sangat sulit untuk digambarkan secara akurat, dan membuat kita menggunakan kekuatan komputer yang sangat besar, upaya dalam penelitian teoretis, dan menghabiskan banyak waktu untuk memodelkan fusi lubang hitam dan bintang neutron dengan benar yang direkam oleh
LIGO .
Pekerjaan gravitasi ditentukan tidak hanya oleh lokasi dan besarnya massa, tetapi juga oleh bagaimana massa ini bergerak relatif satu sama lain dan berakselerasi dalam medan gravitasi yang berubah seiring waktu. Dalam relativitas umum, sistem yang mengandung lebih dari satu massa tidak dapat ditentukan secara tepat.Salah satu dari beberapa kasus di mana kita dapat menemukan solusi yang tepat, menggambarkan sebuah alam semesta yang dipenuhi dengan jumlah "substansi" yang sama di mana-mana dan di segala arah. Tidak masalah apa jenis "substansi" itu. Itu bisa berupa seperangkat partikel, cairan, radiasi, sifat ruang itu sendiri, bidang dengan sifat yang diinginkan. Ini bisa merupakan campuran dari berbagai hal, misalnya, materi normal, antimateri, neutrino, radiasi, dan bahkan materi gelap misterius dan energi gelap.
Jika ini menggambarkan alam semesta Anda, dan Anda tahu dalam proporsi apa Anda memiliki semua zat ini, Anda hanya perlu mengukur kecepatan ekspansi alam semesta. Setelah itu, Anda akan segera belajar bagaimana itu berkembang sepanjang hidupnya, dan akan berkembang di masa depan. Jika Anda tahu apa jagat raya itu, dan bagaimana ia berkembang hari ini, Anda bisa mengetahui nasib seluruh jagat raya.
Varian yang diharapkan dari pengembangan Alam Semesta (tiga teratas) sesuai dengan alam semesta di mana materi dan energi bergulat dengan laju awal ekspansi. Di alam semesta kita yang dapat diamati, percepatan kosmik dikaitkan dengan beberapa jenis energi gelap, yang saat ini tidak dapat dijelaskan. Semua alam semesta ini diatur oleh persamaan Friedman .Melakukan perhitungan ini berdasarkan Semesta yang kita amati saat ini, kita dapat mengetahui bahwa itu terdiri dari:
- 68% energi gelap
- 27% dari materi gelap
- 4,9% dari materi normal
- 0,1% neutrino
- 0,01% radiasi
Dan jumlah komponen lainnya yang dapat diabaikan: kelengkungan, antimateri, string kosmik, dan segala sesuatu yang dapat Anda bayangkan. Ketidakpastian total dalam jumlah komponen yang terdaftar tidak melebihi 2%. Kami juga belajar nasib Semesta - bahwa ia akan berkembang selamanya - dan usianya: 13,8 miliar tahun dari Big Bang. Ini adalah pencapaian luar biasa dari kosmologi modern.
Garis waktu yang diilustrasikan untuk sejarah alam semesta. Jika jumlah energi gelap cukup kecil untuk memungkinkan bintang-bintang pertama terbentuk, maka penampilan di alam semesta dari bahan-bahan yang diperlukan untuk kehidupan hampir tidak dapat dihindari. Dan keberadaan kita menegaskan fakta ini.Tetapi semua perhitungan ini dilakukan atas dasar model Alam Semesta kita, yang mendekati distribusi zat yang seragam di seluruh Alam Semesta ke segala arah. Di alam semesta yang nyata, seperti yang mungkin Anda perhatikan, semuanya hancur. Ada planet, bintang, gugus gas dan debu, plasma, galaksi, gugusan galaksi, dan
benang kosmik besar yang menghubungkan mereka. Ada
kekosongan kosmik yang sangat besar, terkadang mencapai miliaran tahun cahaya. Alam semesta yang seragam secara matematis sempurna disebut homogen, dan alam semesta kita secara mengejutkan tidak homogen. Ada kemungkinan bahwa semua ide kami, atas dasar yang kami buat kesimpulan yang ditunjukkan, tidak benar.
Simulasi (merah) dan pengamatan galaksi (biru / magenta) menunjukkan pola kluster yang sama pada skala besar. Dalam skala kecil, alam semesta tidak homogen.Namun, dalam skala terbesar, Semesta adalah homogen. Jika Anda melihat skala kecil, ukuran bintang, galaksi atau gugus galaksi, Anda akan menemukan keberadaan area dengan kerapatan yang jauh lebih tinggi atau lebih rendah dibandingkan dengan nilai rata-rata. Tetapi jika Anda mempelajari skala ukuran 10 miliar tahun cahaya, Semesta tampaknya rata-rata hampir sama di semua tempat. Pada skala terbesar, Semesta lebih dari 99% homogen.
Untungnya, kita dapat mengevaluasi secara numerik seberapa baik (atau buruk) asumsi kita dengan menghitung hasil paparan gangguan tidak homogen pada homogenitas skala besar. Saya sendiri melakukan
perhitungan seperti itu pada tahun 2005, dan menemukan bahwa kontribusi ketidakhomogenan pada tingkat ekspansi tidak melebihi 0,1%, dan itu tidak berperilaku seperti materi gelap.
Kontribusi fraksional dari energi potensial gravitasi W (garis dengan tanda hubung panjang) dan energi kinetik K (garis padat) terhadap kepadatan energi total Semesta, dibangun sebagai fungsi ekspansi Semesta masa lalu dan masa depan, di mana ada materi tetapi tidak ada energi gelap. Garis putus-putus pendek menunjukkan jumlah kontribusi faktor tidak homogen. Garis putus-putus menunjukkan hasil yang diperoleh dari teori perturbasi linier.Tetapi satu kemungkinan lagi terkait dengan perhitungan ini - jenis energi tertentu dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya dari waktu ke waktu. Secara khusus, terima kasih kepada:
- membakar bahan bakar nuklir di dalam bintang-bintang,
- keruntuhan gravitasi dari awan yang berubah menjadi benda padat,
- fusi bintang neutron dan lubang hitam,
- pendekatan spiral dari banyak sistem gravitasi,
materi, atau massa, dapat berubah menjadi radiasi, atau energi. Dengan kata lain, adalah mungkin untuk mengubah perilaku gravitasi di alam semesta, dan untuk mempengaruhi ekspansi (atau kompresi) dari waktu ke waktu.
Meskipun kita telah mengamati perpaduan lubang hitam di Alam Semesta berkali-kali, kita tahu bahwa ada lebih banyak lagi. LISA akan memungkinkan kita untuk memprediksi, kadang-kadang dalam beberapa tahun, kapan tepatnya penggabungan lubang hitam supermasif akan terjadi.Ketika dua lubang hitam bergabung bersama, bagian massa yang cukup signifikan dapat berubah menjadi energi: daging hingga 5%. Dalam penggabungan dua lubang hitam pertama yang ditemukan oleh LIGO, BH dalam 36 massa matahari dan BH dalam 29 massa matahari bergabung, dan membentuk satu BH dengan massa 62 massa matahari. Apa yang terjadi pada 3 massa matahari? Mereka berubah menjadi energi dalam bentuk gelombang gravitasi, menurut Einstein E = mc
2 .
Karena itu, pertanyaannya bermuara pada hal berikut: bagaimana transisi dari massa ke radiasi mempengaruhi ekspansi alam semesta? Dalam
karya terbarunya, Nick Gorkavy dan Alexander Vasilkov mengklaim bahwa itu dapat menciptakan gaya anti-gravitasi yang menjijikkan.
Simulasi komputer dari penggabungan dua lubang hitam, menghasilkan gelombang gravitasi. Ketika massa berubah menjadi radiasi, mungkinkah gaya tolak?Sayangnya, pernyataan ini didasarkan pada apa yang tampaknya hanya anti-gravitasi. Ketika kita memiliki jumlah massa tertentu, kita mengalami tarikan gravitasi tertentu padanya: ini benar baik dalam teori Einstein maupun dalam teori Newton tentang gravitasi. Jika Anda mengubah massa menjadi energi dan memancarkannya keluar dengan kecepatan cahaya, yang dengannya semua radiasi tak bermassa bergerak, maka ketika radiasi ini terbang melewati kita, kita akan menemukan bahwa gaya tarik-menarik massa tiba-tiba melemah.
Lengkungan perubahan ruang-waktu, dan di mana kita pertama kali mengalami tarikan gravitasi sebesar besarnya, kita akan mulai mengalami tarikan 5% lebih sedikit. Secara matematis, ini setara dengan penampilan gaya anti-gravitasi yang menjijikkan pada sistem. Tetapi pada kenyataannya, Anda akan mengalami penurunan daya tarik ini karena konversi massa menjadi energi, dan gravitasi radiasi bertindak secara berbeda (terutama ketika ia melewati Anda). Ini telah
dijelaskan dengan sangat jelas [sebagai tanggapan terhadap pekerjaan di atas].
Benda atau bentuk apa pun, fisik atau non-fisik, akan terdistorsi ketika gelombang gravitasi melewatinya. Setiap kali, ketika satu massa besar bergerak dengan akselerasi melalui bagian ruang-waktu melengkung, gelombang gravitasi menjadi konsekuensi yang tak terhindarkan dari gerakan ini. Namun, kita dapat menghitung efek radiasi ini pada ruang, dan itu tidak mengarah pada penolakan atau percepatan ekspansi.Kita dapat melangkah lebih jauh dan menghitung bagaimana transformasi ini memengaruhi seluruh Alam Semesta! Secara numerik kita dapat mengevaluasi kontribusi gelombang gravitasi terhadap kepadatan energi Alam Semesta, dan
bagian mana dari energi Alam Semesta yang merupakan radiasi dari semua jenis . Radiasi, seperti massa, dikuantisasi, sehingga dengan peningkatan volume Alam Semesta (seperti jarak dalam kubus), kepadatan partikel menurun (berbanding terbalik dengan kubus jarak). Tetapi, tidak seperti massa, radiasi memiliki panjang gelombang, dan dengan perluasan ruang, panjang ini meningkat, dan frekuensinya berbanding terbalik dengan jarak. Radiasi menjadi kurang penting secara gravitasi lebih cepat daripada materi.
Kita juga perlu mendapatkan persamaan keadaan yang benar. Materi dan radiasi berubah seiring waktu, tetapi energi gelap mempertahankan kepadatan konstan di seluruh ruang saat alam semesta mengembang. Bergerak maju dalam waktu, kami melihat bahwa masalahnya hanya semakin buruk; energi gelap semakin mendominasi, materi dan radiasi menjadi semakin tidak penting.
Materi dan radiasi membawa kekuatan yang menarik dan memperlambat Semesta, tetapi tidak satu pun dari fenomena ini yang dapat tetap dominan dalam kepadatan energi sementara Semesta mengembang.
Daerah teduh biru - kemungkinan ketidakpastian dalam kepadatan energi gelap di masa lalu dan masa depan. Data menunjukkan bahwa ini adalah konstanta kosmologis sejati, sementara kami tidak menyerah kemungkinan lain. Sayangnya, konversi materi menjadi energi tidak dapat memainkan peran energi gelap; apa yang sebelumnya berperilaku seperti materi sekarang berperilaku seperti radiasi.Jika kita ingin menciptakan alam semesta dengan ekspansi yang dipercepat, maka, berdasarkan pengetahuan terbaik kita, kita akan membutuhkan bentuk energi baru, berbeda dari yang sudah diketahui. Kami menyebutnya bentuk energi gelap, meskipun kami tidak 100% yakin dengan sifatnya.
Namun, terlepas dari ketidaktahuan kita di bidang ini, kita dapat dengan jelas menentukan energi gelap apa yang bukan. Ini bukan bintang yang membakar bahan bakarnya; tidak masalah memancarkan gelombang gravitasi; ini bukan konsekuensi dari kehancuran gravitasi; itu bukan hasil merger atau pemulihan dalam spiral. Ada kemungkinan bahwa beberapa hukum gravitasi baru pada akhirnya akan menggantikan hukum Einstein, tetapi dalam konteks relativitas umum, mustahil untuk menjelaskan pengamatan kita saat ini dengan bantuan fisika terkenal. Kita harus menemukan sesuatu yang benar-benar baru.