Hur kraschar neutronstjärnor dödade några av våra bästa idéer om vad "mörk energi" är

Hubble - 15 years of discovery (Maj 2019).

Anonim

Det fanns mycket spänning när forskare bevittnade den våldsamma kollisionen av två ultralätta, massiva stjärnor mer än 100 meter ljusår från jorden tidigare i år. Inte bara fångade de de resulterande gravitationsvågorna - krusningar i tyget av rymdtid - de såg också en praktiskt taget ögonblicklig blixtljus. Detta är spännande i sig och var det första direkta beviset för en sammanslagning av neutronstjärnor.

Men ur en kosmologs perspektiv har bildgraden av gravitationens vågor och ljusets blixt slagen i flera år av forskning om ett helt orelaterat problem: varför utvidgar universums expansion?

Det visar sig att utrymme och tid är faktiskt mutable, böjliga, flexibla och wiggly, snarare än konstanta, fasta eller fasta. Detta har varit känt sedan Einstein publicerade sin teori om generell relativitet, vilket förklarar hur gravitationen försvinner spacetime. De subtila effekter som denna mutability orsakar måste redovisas även i GPS-enheten som gör ditt satellit-och iPhone-arbete.

En förutsägelse för Einsteins teori var att det skulle vara möjligt för rymdtid att ha vågor i den, som havets yta. Dessa skulle vara synliga om man till exempel kunde krossa två svarta hål. Denna förutsägelse var dramatisk sett i den första upptäckten av gravitationella vågor genom LIGO-experimentet 2015. Upptäckten öppnade ett helt nytt sätt att undersöka kosmos och tilldelades Nobelpriset för fysik.

Den nya upptäckten av gravitationella vågor från sammanslagningen av neutronstjärnor har också djupa konsekvenser för vår förståelse av universum. Men för kosmologerna var det blixtens ljus 1, 7 sekunder efter gravitationsvågorna som var den mer spännande observationen.

Den kosmiska hastighetskameran

Den 1, 7 andra tidsfördröjningen är viktig eftersom det betyder att gravitationens vågor och ljusvågorna hade färdats i nästan samma hastighet. Faktum är att de är två av de närmast matchade observerade hastigheterna någonsin: de två bara skilde sig med en del i 10 miljarder.

För att sätta detta in i kontext om hastighetskamerorna på vägen kunde mäta hastighetsskillnader så fint skulle du få en biljett för att gå 30.0000000000000001mph i en 30mph-zon.

Jämfört med de bästa mätningarna som kosmologer hoppades på i framtiden är det en faktor på en miljon miljard gånger bättre. Factoring genom att de elektromagnetiska vågorna kan ha tagit lite tid att fly från oroen för en neutronstjärnkollision, för alla ändamål är hastighetsskillnaden noll.

Kosmologi är i en bit av en pickle. Vi har en bra modell som kan förklara universums evolution från en bråkdel av en sekund före stormen, fram till nu cirka 14 miljarder år senare. Problemet är att för att förklara alla observationer måste en mystisk energi som kallas "mörk energi" sättas till modellerna. Mörk energi är ett stort problem, det står för cirka 70% av all energi universum, och vi har absolut ingen aning om vad det är.

Mörk energi är som en anti-gravitationseffekt som driver universum ut och förser expansionen att accelerera. För att förklara mörk energi har kosmologer försökt att ändra eller ersätta Einsteins teori för att se om en ny teori om rymdtid äntligen kan förklara effekterna av mörk energi.

Ett sätt som kosmologer försökte göra detta var genom att ändra hastigheten i vilken gravitationens vågor och ljus reste. Det fanns många olika teorier som hade denna komponent - var och en med ett märkligt namn som quartic och quintic galileoner, vektor-tensor teorier, generaliserade proketeorier, storraveteorier och så vidare. Utan data kunde någon av teorierna ha varit korrekta, och det var många som hoppades att de kunde vara nästa Einstein eller Newton.

Vart är vi nu?

Men nu i en enda observation från en enda neutronstärkfusion har ett stort antal av dessa nu sänts till kosmologiskt skräp i pappersflöde (här, här, här, här, här och här). Så ingen ny Einstein än.

I avsaknad av övertygande data är det fortfarande möjligt att vi kan uppdatera Einstein så att vi kan ta hänsyn till mörk energi. Men wigglesna från gravitationsvågdata har lämnat väldigt litet svängrum.

Alla teorier som har överlevt beskärningen är mycket enklare än de som tidigare var tillåtna. och den enklaste teorin och frontrunner är att mörk energi är det tomma rymdets energi, och det råkar bara ha det värde vi observerar.

En annan förklaring som har överlevt är att det är ett Higgs-liknande fält. Den nu kända Higgs bosonen är en manifestation av ett "Higgs-fält" - det första "skalärfältet" observerat i naturen. Detta är ett fält som har ett värde vid varje punkt i mellantid, men ingen riktning. En analogi skulle vara en tryckkarta på en väderprognos (värden överallt men ingen riktning). En vindkarta, å andra sidan, är inte ett skalärfält eftersom det har hastighet och övergripande riktning. Förutom Higgs är alla partiklar i naturen associerade med "kvantfält" som inte är skalära. Men som Higgs, kan mörk energi vara ett undantag: ett allestädes närvarande skalärfält som trycker universum i varje riktning.

Lyckligtvis behöver vi inte vänta länge innan nya teleskop testar de återstående teorierna och en stor del av det kosmologiska pusslet kommer att slutföras.

menu
menu