Espansione dell'energia oscura

Le nuove funzionalità extra di Cosmos menzionano che circa 6.771.500.000 anni fa l'universo iniziò un'espansione accelerata. Come facciamo a saperlo? Quali prove abbiamo per questa espansione rinnovata e accelerata?

Dal calendario cosmico interattivo sul nuovo bluray di Cosmos, le date di cui sopra sono tratte dalla rubrica

Fino a [ora], la gravità ha rallentato l'espansione dell'universo, ma all'improvviso subentra una forza misteriosa e sconosciuta che chiamiamo energia oscura, l'espansione dell'universo inizia ad accelerare

Come facciamo a sapere che era energia oscura? Dato che non possiamo definire o rilevare l'energia oscura, perché crediamo che questa sia la causa? Come facciamo a sapere se questa nuova accelerazione è avvenuta? Qualcosa nel turno rosso? C'è una lacuna nel cambiamento rosso nelle cose che possiamo vedere che implicherebbe una lenta espansione e quindi una rapida espansione? Se c'è un divario, perché l'energia oscura è l'unica spiegazione? O ci sono altre teorie?

Sì, ci sono molte domande, ma la domanda principale è: come facciamo a sapere se un'espansione accelerata è avvenuta in quel momento? il resto delle domande deriva da questo, principalmente nel chiedere dati per il backup dei reclami, a favore o contro

Cosmos sta davvero usando quel numero esatto? Egads ... se lo sono, non prenderlo troppo sul serio, ma per il resto sono probabilmente concettualmente corretti.

Come facciamo a sapere che era energia oscura?

In cosmologia, il modello MCDM si adatta a numerose osservazioni, in particolare quelle osservate dal satellite WMAP , ma anche altre, alla famiglia di soluzioni di relatività generale di Friedmann-Robertson-Walker, che descrivono un universo omogeneo e isotropico. Il$\Lambda$si riferisce alla costante cosmologica, che è il modello più semplice di energia oscura, ed è equivalente a una densità di energia intrinseca del vuoto - quindi, deve essere invariante di Lorentz, e poiché il tempo e lo spazio si mescolano in una trasformazione di Lorentz, l'unica il modo per farlo è che la sua pressione sia uguale esattamente al negativo della sua densità di energia. Con$\Lambda>0$, la pressione è negativa e questo è ciò che è responsabile dell'accelerazione gravitazionale verso l'esterno dell'universo.

Dato che non possiamo definire o rilevare l'energia oscura, perché crediamo che questa sia la causa?

La costante cosmologica è stata definita otto decenni prima della scoperta dell'accelerazione cosmica, e crediamo che sia la causa perché è teoricamente molto semplice e si adatta alle osservazioni. Ci sono altri modelli per l'energia oscura, però.

Come facciamo a sapere se questa nuova accelerazione è avvenuta?

L'evoluzione cosmologica è descritta dalle equazioni di Friedmann , che ha il contributo principale di radiazione, materia ed energia oscura, oltre alla curvatura spaziale dell'universo. Man mano che l'universo si espande, sia la radiazione che la materia si diluiscono, ma l'energia oscura no. Pertanto, se l'universo continua ad espandersi, la percentuale di energia oscura diventa dominante sia sulla radiazione che sulla materia.

Molto probabilmente, l'articolo è semplicemente un riferimento esagerata per la transizione tra l' epoca materia-dominato e l' epoca buia-energia-dominato . Il numero particolare$6,771,500,000$ gli anni sembrano comicamente precisi per gran parte della cosmologia, ma dal momento che i nove anni WMAP + eCMB + BAO + H più adatti (vedi sopra il link WMAP) per l'età dell'universo è $13.772\pm0.059\,\mathrm{Ga}$, Propongo la seguente spiegazione:

1. L'autore sente che l'età dell'universo è $13.772$ miliardi di anni e ignora completamente qualsiasi limite di errore su tale stima.
2. L'autore sente da qualche altra parte che l'era dominata dall'energia oscura è iniziata quando l'universo era in giro $7$ miliardi di anni e tratta nuovamente questo numero come esatto.
3. L'autore quindi sottrae i due.

Questo spiega tutto tranne l'ultimo $0.5\,\mathrm{Ma}$, che circa l'uno-diecimilionesimo. Concludo che la mia teoria dell'origine del numero concorda piuttosto bene con l'evidenza empirica delle parole dell'autore. Forse il$0.5$ mentre la cifra successiva veniva razionalizzata come una sorta di punto intermedio nella mente dell'autore.

Per quanto riguarda dove $7$ vengono miliardi di anni, ho due ipotesi.

1. In cosmologia, il parametro di Hubble è talvolta considerato privo di unità, ridimensionandolo a $100\,\mathrm{km/s/Mpc}$. Ad esempio, a volte lo diciamo$h = 0.704$ quando intendiamo quello $H_0 = 70.4\,\mathrm{km/s/Mpc}$. Così,$100\,\mathrm{km/s/Mpc}$è una specie di standard di confronto di fatto. Potrebbe essere una coincidenza, ma è piuttosto sospetto che se si ignora il contributo delle radiazioni (il che è giustificabile, poiché è trascurabile se non nell'universo primordiale) e finge che$H_0 = 100\,\mathrm{km/s/Mpc}$, allora sarebbe l'età dell'Universo quando la densità della materia e dell'energia oscura sono uguali $$\frac{2\ln(1+\sqrt{2})}{3\sqrt{1-\Omega_\text{M}}}\frac{1}{H_0}\bigg\vert_{\Omega_\text{M} = 0.2865} \approx 0.70H_0^{-1}\bigg\vert_{h = 1.0} \approx 6.8\,\mathrm{Ga}$$ Sto usando il riferimento di Ryden fornito nel wiki per l'era dominata dalla materia sopra. Quindi, penso che qualcuno abbia fatto una stima usando un bel numero rotondo per il parametro Hubble e arrotondato a$7$ miliardi di anni.
2. La transizione tra dominato dalla materia e dominato dall'energia oscura è una questione di convenzione in qualche modo arbitraria. Abbiamo potuto prendiamo significa quando materia ed energia oscura densità sono uguali, come sopra, ma su scala cosmologica, la pressione è tre volte importante come densità di energia (cfr Friedmann equazioni). Quindi, potremmo prenderlo invece come il momento in cui la densità della materia era il doppio della densità dell'energia oscura. Questo sarebbe prima del$9.8\,\mathrm{Ga}$dato nel riferimento di Ryden, ma probabilmente più appropriato perché le equazioni di Friedmann predicono un'accelerazione zero, cioè sarebbe la transizione tra l'accelerazione verso l'interno e verso l'esterno. Non ho calcolato quando sarebbe, ma questo tipo di confusione convenzionale potrebbe essere responsabile della discrepanza tra l' era dominata dalla materia della wiki e le pagine dell'era dominata dall'energia oscura . Anche se quest'ultimo sostiene$5\,\mathrm{Ga}$ invece, piuttosto che $7\,\mathrm{Ga}$ (ma non spiega la fonte).

Quindi il Cosmo potrebbe o meno avere ragione sull'era dominata dall'energia oscura a partire dall'universo $7$ miliardi di anni, ma concludendo che è successo $6.7715\,\mathrm{Ga}$ fa sta prendendo alcuni numeri come troppo esatti per essere giustificabili.

Qualcosa nel turno rosso?

Penso che a questo punto sia meglio fare una domanda separata su problemi specifici con il modello modelCDM, se ne hai. Ai fini di questa domanda, sto prendendo ΛCDM come un dato di fatto, come quasi certamente sta facendo anche Cosmos.

Sì, ci sono molte domande, ma la domanda principale è: come facciamo a sapere se un'espansione accelerata è avvenuta in quel momento?

Il modello cosmologico standard è che l'energia oscura è una costante cosmologica. Pertanto, la sua densità di energia non cambia. Diventa quindi chiaro che a un certo punto, l'espansione cosmologica rende la materia troppo diluita per competere con l'energia oscura, che è quando l'energia oscura inizia a dominare. Era lì da sempre, ma prima di allora la materia era abbastanza densa da essere invece dominante.