จักรวาลวิทยา - พลังงานมืด
พื้นที่ของ Dark Energy เป็นพื้นที่สีเทาในทางดาราศาสตร์เนื่องจากเป็นพารามิเตอร์อิสระในสมการทั้งหมด แต่ไม่มีความชัดเจนว่านี่คืออะไรกันแน่
เราจะเริ่มต้นด้วยสมการของฟรีดมันน์
$$ \ left (\ frac {\ dot {a}} {a} \ right) ^ 2 = \ frac {8 \ pi G} {3} \ rho - \ frac {k \ ast c ^ 2} {a ^ 2} $$
หนังสือระดับประถมศึกษาส่วนใหญ่เกี่ยวกับจักรวาลวิทยาพวกเขาทั้งหมดเริ่มต้นด้วยการอธิบายถึงพลังงานมืดจากตอนนี้ก่อนการสังเกตของฮับเบิลจักรวาลจะปิดและหยุดนิ่ง
ตอนนี้เพื่อให้จักรวาลคงที่ทางด้านขวาทั้งสองคำควรตรงกันและควรเป็นศูนย์ แต่ถ้าเทอมแรกมากกว่าเทอมที่สองจักรวาลจะไม่คงที่ดังนั้นไอน์สไตน์จึงทิ้งพารามิเตอร์อิสระ ∧ ในสมการสนามเพื่อทำให้จักรวาลคงที่ดังนั้นเขาจึงแย้งว่าไม่ว่าเทอมแรกจะเทียบกับเทอมที่สองคุณจะได้จักรวาลคงที่เสมอถ้ามีอีกหนึ่งองค์ประกอบในสมการซึ่งสามารถชดเชยดิส - จับคู่ระหว่างสองคำนี้
$$ \ left (\ frac {\ dot {a}} {a} \ right) ^ 2 = \ frac {8 \ pi G} {3} \ rho - \ frac {k \ ast c ^ 2} {a ^ 2} + \ frac {\ wedge} {3} $$
$$ \ left (\ frac {\ ddot {a}} {a} \ right) = - \ frac {4 \ pi G} {3} \ left (\ rho + \ frac {3P} {c ^ 2} \ ขวา) + \ frac {\ wedge} {3} $$
โดยที่ $ P = \ rho \ ast c ^ 2/3 $ และ $ \ wedge = \ rho \ ast c ^ 2 $ คือพารามิเตอร์จักรวาล (เครื่องหมายลบเป็นเพราะแรงดึงดูดเท่านั้น)
ในสมการข้างต้น (สมการความเร่ง) -
$ 3P / c ^ 2 $ คือความดันลบเนื่องจากการแผ่รังสี
$ -4 \ pi G / 3 $ เป็นแรงดึงดูดเนื่องจากแรงโน้มถ่วงและ
$ \ wedge / 3 $ มีส่วนช่วยในเชิงบวก
คำที่สามทำหน้าที่เป็นแรงผลักเพราะอีกส่วนหนึ่งของสมการนั้นน่าดึงดูด
ความสำคัญทางกายภาพของสมการคือ ˙a = 0เนื่องจากไม่มีหลักฐานใด ๆ ที่แสดงว่าเอกภพกำลังขยายตัว จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคำทั้งสองนี้ไม่ตรงกันดังนั้นจึงเป็นการดีกว่าที่จะเพิ่มองค์ประกอบและขึ้นอยู่กับออฟเซ็ตเราสามารถเปลี่ยนค่าของพารามิเตอร์อิสระได้เสมอ
เวลานั้นไม่มีคำอธิบายทางกายภาพเกี่ยวกับพารามิเตอร์ทางจักรวาลวิทยานี้ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเมื่อมีการค้นพบคำอธิบายเกี่ยวกับเอกภพที่กำลังขยายตัวในปี ค.ศ. 1920 โดยที่ Einstein ต้องโยนค่าคงที่นี้ออกทันที
คำอธิบายนี้ cosmological constant ยังคงใช้อยู่เพราะมันอธิบายถึงจักรวาลที่แตกต่างออกไป แต่คำจำกัดความของค่าคงที่ของจักรวาลนี้วิธีการตีความเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา
ตอนนี้แนวคิดของค่าคงที่ของจักรวาลนี้ถูกนำกลับมาสู่จักรวาลวิทยาด้วยเหตุผลหลายประการ สาเหตุหนึ่งคือเรามีการสังเกตความหนาแน่นของพลังงานของส่วนประกอบต่าง ๆ ของจักรวาล (แบริออนิก, สสารมืด, การแผ่รังสี) ดังนั้นเราจึงรู้ว่าพารามิเตอร์นี้คืออะไร การสังเกตอิสระโดยใช้cosmic microwave background แสดงว่า k = 0
$$ CMB, k = 0 \: \ rho = \ rho_c = \ frac {3H_0 ^ 2} {8 \ pi G} \ ประมาณ 10 \: ไฮโดรเจน \: atoms.m ^ {- 3} $$
เพื่อให้ k เป็น 0 $ \ rho $ ควรเท่ากับ $ \ rho_c $ แต่ทุกอย่างที่เรารู้ถ้าเราบวกมันที่ไม่ให้ 0 ซึ่งหมายความว่ามีส่วนประกอบอื่น ๆ ที่แสดงว่ามันน้อยกว่ามาก $ \ rho_c $.
$$ \ rho = \ rho_b + \ rho_ {DM} + \ rho_ {rad} << \ rho_c $$
อีกหนึ่งหลักฐานของพลังงานมืดมาจาก Type 1 Supernova Observationซึ่งเกิดขึ้นเมื่อดาวแคระขาวสะสมสสารและเกินขีด จำกัด Chandrashekhar ซึ่งเป็นขีด จำกัด ที่แม่นยำมาก (≈ 1.4M) ตอนนี้ทุกครั้งที่การระเบิดซูเปอร์โนวาประเภท 1 เกิดขึ้นเราจะมีมวลเท่ากันซึ่งหมายความว่าพลังงานยึดเหนี่ยวทั้งหมดของระบบเท่ากันและปริมาณพลังงานแสงที่เราเห็นก็เท่ากัน
แน่นอนว่าแสงซูเปอร์โนวาจะเพิ่มขึ้นแล้วก็เป็นลม แต่ถ้าคุณวัดความสว่างสูงสุดมันจะเท่ากันเสมอซึ่งทำให้มันเป็นตัวเลือกมาตรฐาน ดังนั้นด้วยซูเปอร์โนวาแบบที่ 1 เราจึงใช้ในการวัดองค์ประกอบทางจักรวาลวิทยาของจักรวาลและนักดาราศาสตร์พบว่าซูเปอร์โนวาที่มีการเลื่อนสีแดงสูงอยู่ที่ 30% - 40% น้อยกว่าซูเปอร์โนวาที่มีการเลื่อนสีแดงต่ำและสามารถอธิบายได้ว่ามีสิ่งใดที่ไม่ใช่ -ศูนย์∧ เทอม.
ในแบบจำลองจักรวาล DE (Dark Energy)ถือว่าเป็นของไหลซึ่งหมายความว่าเราสามารถเขียนสมการสถานะของมันได้ สมการสถานะคือสมการที่เชื่อมต่อตัวแปรเช่นความดันความหนาแน่นอุณหภูมิและปริมาตรของสองสถานะที่แตกต่างกันของสสาร
ในมิติที่เราเห็น
$$ \ frac {8 \ pi G} {3} \ rho = \ frac {\ wedge} {3} $$
$$ \ rho_ \ wedge = \ frac {\ wedge} {8 \ pi G} $$
ความหนาแน่นพลังงานของ DE
$$ \ epsilon_ \ wedge = \ rho_ \ wedge \ ast c ^ 2 = \ frac {\ wedge c ^ 2} {8 \ pi G} $$
พารามิเตอร์ความหนาแน่นของพลังงานมืด
$$ \ Omega_ \ wedge = \ frac {\ rho_ \ wedge} {\ rho_c} $$
$ \ Omega_ \ wedge $ คือความหนาแน่นของพลังงานมืดในแง่ของความหนาแน่นวิกฤต
$$ \ rho = \ rho_b + \ rho_ {DM} + \ rho_ \ wedge $$
มีหลายทฤษฎีเกี่ยวกับพลังงานมืดซึ่งขับไล่จักรวาลและทำให้จักรวาลขยายตัว สมมติฐานหนึ่งคือพลังงานมืดนี้อาจเป็นความหนาแน่นของพลังงานสุญญากาศ สมมติว่าอวกาศกำลังประมวลผลพลังงานบางส่วนและเมื่อคุณนับปริมาณของสารแบริโอนิกสสารมืดและรังสีภายในปริมาตรหน่วยของอวกาศคุณกำลังนับจำนวนพลังงานที่เกี่ยวข้องกับอวกาศด้วย แต่ไม่ชัดเจน พลังงานมืดเป็นความหนาแน่นของพลังงานสุญญากาศ
เราทราบดีว่าความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นและสเกลแฟคเตอร์สำหรับสสารมืดและรังสีนั้น
$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 3} $$
$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 4} $$
เรามีพล็อตปัจจัยมาตราส่วนความหนาแน่น v / s ในพล็อตเดียวกันเราจะเห็นว่า $ \ rho_ \ wedge $ เป็นค่าคงที่ของการขยายตัวของจักรวาลซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับสเกลแฟคเตอร์
ภาพต่อไปนี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นและสเกลแฟกเตอร์
‘ρ’ v/s ‘a’(สเกลแฟคเตอร์ซึ่งสัมพันธ์กับเวลา) ในกราฟเดียวกันพลังงานมืดถูกจำลองเป็นค่าคงที่ ดังนั้นพลังงานมืดใด ๆ ที่เราวัดได้ในจักรวาลปัจจุบันมันเป็นค่าคงที่
สิ่งที่ต้องจำ
การสังเกตอิสระโดยใช้พื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลแสดงให้เห็นว่า k = 0
$ \ rho_ \ wedge $ เป็นค่าคงที่ของการขยายตัวของเอกภพซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับสเกลแฟคเตอร์
แรงโน้มถ่วงยังเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาซึ่งเรียกว่า modified Newtonian dynamics.