Vũ trụ học - Năng lượng tối
Khu vực Năng lượng Tối là một khu vực rất xám trong thiên văn học vì nó là một tham số tự do trong tất cả các phương trình, nhưng không có ý tưởng rõ ràng đây chính xác là gì.
Chúng ta sẽ bắt đầu với các phương trình Friedmann,
$$ \ left (\ frac {\ dot {a}} {a} \ right) ^ 2 = \ frac {8 \ pi G} {3} \ rho - \ frac {k \ ast c ^ 2} {a ^ 2} $$
Hầu hết các cuốn sách cơ bản về vũ trụ học, chúng đều bắt đầu bằng việc mô tả năng lượng tối từ tập này mà trước khi có sự quan sát của Hubble, vũ trụ đóng và tĩnh.
Bây giờ, để vũ trụ là tĩnh ở phía bên phải, cả hai số hạng phải khớp và chúng phải bằng 0, nhưng nếu số hạng đầu tiên lớn hơn số hạng thứ hai, thì vũ trụ sẽ không tĩnh, vì vậy Einstein đã bỏ tham số tự do. ∧ vào phương trình trường để làm cho vũ trụ tĩnh, vì vậy ông lập luận rằng bất kể số hạng đầu tiên là gì so với số hạng thứ hai, bạn luôn có thể nhận được một vũ trụ tĩnh nếu có thêm một thành phần trong phương trình, có thể bù đắp sai lệch phù hợp giữa hai thuật ngữ này.
$$ \ left (\ frac {\ dot {a}} {a} \ right) ^ 2 = \ frac {8 \ pi G} {3} \ rho - \ frac {k \ ast c ^ 2} {a ^ 2} + \ frac {\ wedge} {3} $$
$$ \ left (\ frac {\ ddot {a}} {a} \ right) = - \ frac {4 \ pi G} {3} \ left (\ rho + \ frac {3P} {c ^ 2} \ phải) + \ frac {\ wedge} {3} $$
Trong đó $ P = \ rho \ ast c ^ 2/3 $ và $ \ wedge = \ rho \ ast c ^ 2 $ là Tham số vũ trụ. (Dấu hiệu tiêu cực là chỉ vì sự hấp dẫn)
Trong phương trình trên (phương trình gia tốc) -
$ 3P / c ^ 2 $ là áp suất âm do bức xạ,
$ -4 \ pi G / 3 $ là lực hút do trọng lực, và
$ \ wedge / 3 $ đóng góp tích cực.
Số hạng thứ ba đóng vai trò là lực đẩy vì một phần khác của phương trình là lực hút.
Ý nghĩa vật lý của phương trình là ˙a = 0bởi vì không có bất kỳ bằng chứng nào cho thấy vũ trụ đang giãn nở. Điều gì sẽ xảy ra nếu hai thuật ngữ này không khớp với nhau, vì vậy tốt hơn là thêm một thành phần và tùy thuộc vào phần bù mà chúng ta luôn có thể thay đổi giá trị của tham số tự do.
Vào thời điểm đó, không có lời giải thích vật lý nào về các thông số vũ trụ này, đó là lý do tại sao khi giải thích về vũ trụ giãn nở được phát hiện vào những năm 1920, nơi Einstein ngay lập tức phải ném hằng số này ra ngoài.
Giải thích về điều này cosmological constant vẫn được sử dụng vì nó giải thích một phiên bản khác của vũ trụ, nhưng định nghĩa về hằng số vũ trụ này, cách giải thích liên tục thay đổi theo thời gian.
Bây giờ khái niệm về hằng số vũ trụ này đã được đưa trở lại vũ trụ học vì nhiều lý do. Một trong những lý do là chúng ta quan sát được mật độ năng lượng của các thành phần khác nhau của vũ trụ (baryonic, vật chất tối, bức xạ), vì vậy chúng ta biết rằng thông số này là gì. Các quan sát độc lập sử dụngcosmic microwave background cho thấy rằng k = 0.
$$ CMB, k = 0 \: \ rho = \ rho_c = \ frac {3H_0 ^ 2} {8 \ pi G} \ khoảng 10 \: Hydro \: nguyên tử.m ^ {- 3} $$
Đối với k là 0, $ \ rho $ phải bằng $ \ rho_c $, nhưng mọi thứ chúng ta biết nếu chúng ta cộng nó lên mà không cho 0, có nghĩa là có một số thành phần khác cho thấy rằng nó nhỏ hơn nhiều $ \ rho_c $.
$$ \ rho = \ rho_b + \ rho_ {DM} + \ rho_ {rad} << \ rho_c $$
Thêm một bằng chứng về năng lượng tối đến từ Type 1 Supernova Observationxảy ra khi sao lùn trắng tích tụ vật chất và vượt quá giới hạn Chandrashekhar, một giới hạn rất chính xác (≈ 1,4M). Bây giờ mỗi khi Vụ nổ Siêu tân tinh Loại 1 xảy ra, chúng ta có cùng khối lượng, nghĩa là tổng năng lượng liên kết của hệ là như nhau và lượng năng lượng ánh sáng mà chúng ta có thể nhìn thấy là như nhau.
Tất nhiên, ánh sáng của siêu tân tinh sẽ tăng lên và sau đó mờ đi, nhưng nếu bạn đo độ sáng cực đại thì nó sẽ luôn giống nhau khiến nó trở thành một ứng cử viên tiêu chuẩn. Vì vậy, với Siêu tân tinh Loại 1 mà chúng tôi sử dụng để đo thành phần sinh học của vũ trụ và các nhà thiên văn học nhận thấy rằng siêu tân tinh có độ dịch đỏ cao mờ hơn 30% - 40% so với siêu tân tinh có độ dịch chuyển đỏ thấp và có thể giải thích được nếu có -số không∧ kỳ hạn.
Trong các mô hình vũ trụ DE (Dark Energy)được coi như một chất lỏng, có nghĩa là chúng ta có thể viết phương trình trạng thái cho nó. Phương trình trạng thái là phương trình kết nối các biến như Áp suất, Mật độ, Nhiệt độ và Thể tích của hai trạng thái khác nhau của vật chất.
Theo chiều hướng chúng ta thấy,
$$ \ frac {8 \ pi G} {3} \ rho = \ frac {\ wedge} {3} $$
$$ \ rho_ \ wedge = \ frac {\ wedge} {8 \ pi G} $$
Mật độ năng lượng của DE,
$$ \ epsilon_ \ wedge = \ rho_ \ wedge \ ast c ^ 2 = \ frac {\ wedge c ^ 2} {8 \ pi G} $$
Tham số mật độ năng lượng tối,
$$ \ Omega_ \ wedge = \ frac {\ rho_ \ wedge} {\ rho_c} $$
$ \ Omega_ \ wedge $ là mật độ của năng lượng tối theo mật độ tới hạn.
$$ \ rho = \ rho_b + \ rho_ {DM} + \ rho_ \ wedge $$
Có một số giả thuyết về năng lượng tối, nó đang đẩy lùi vũ trụ và khiến vũ trụ giãn nở. Một giả thuyết cho rằng năng lượng tối này có thể là mật độ năng lượng chân không. Giả sử bản thân không gian đang xử lý một số năng lượng và khi bạn đếm lượng vật chất baryonic, vật chất tối và bức xạ trong một đơn vị thể tích không gian, bạn cũng đang đếm lượng năng lượng liên kết với không gian, nhưng nó không rõ ràng. rằng năng lượng tối thực sự là một mật độ năng lượng chân không.
Chúng ta biết rằng mối quan hệ giữa mật độ và hệ số tỷ lệ đối với vật chất tối và bức xạ là,
$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 3} $$
$$ \ rho_m \ propto \ frac {1} {a ^ 4} $$
Chúng ta có biểu đồ nhân tố tỷ lệ mật độ v / s. Trong cùng một biểu đồ, chúng ta có thể thấy rằng $ \ rho_ \ wedge $ là một hằng số với sự giãn nở của vũ trụ mà không phụ thuộc vào hệ số tỷ lệ.
Hình ảnh sau đây cho thấy mối quan hệ giữa mật độ và hệ số tỷ lệ.
‘ρ’ v/s ‘a’(hệ số tỷ lệ liên quan đến thời gian) trong cùng một đồ thị, năng lượng tối được mô hình hóa như một hằng số. Vì vậy, bất kỳ năng lượng tối nào chúng ta đo được trong vũ trụ hiện tại, nó đều là một hằng số.
Những điểm cần nhớ
Các quan sát độc lập sử dụng nền vi sóng vũ trụ cho thấy k = 0.
$ \ rho_ \ wedge $ là một hằng số với sự giãn nở của vũ trụ không phụ thuộc vào hệ số tỷ lệ.
Lực hấp dẫn cũng thay đổi theo thời gian được gọi là modified Newtonian dynamics.