Tumeenergia

Tumeenergia on kosmoloogias ja astronoomias hüpoteetiline energiavorm, mis moodustab suurema osa universumi koostisest, ning alates 1990. aastatest on see enim tunnustatud hüpotees, mis seletab universumi paisumist kiirendatud kiirusel.
Tumeenergia interakteerub ainult gravitatsiooniliselt, see on universumis ühtlaselt jaotunud ja selle olemasolule viitab tõik, et universumi geomeetria on tasane (k=0), kuid vaadeldava aine energiatihedus pole selleks piisav.
Kaks peamist väljapakutud tumeenergia kuju on kosmoloogiline konstant – mis on energia tiheduse konstant, mis täidab kosmose homogeenselt – ja skalaarväljad dünaamilise väärtusega, mille energia tihedus võib muutuda ajas ja ruumis. Skalaarväljade panus – mis on konstantsed ruumis – on tavaliselt ka arvestatud juba kosmoloogilises konstandis ning seda saab formuleerida nii, et see on võrdeline nullpunktenergia radiatsiooniga kosmoses – ehk vaakumenergiaga. Skalaarvälju, mis kosmoses muutuvad, võib olla raske eristada kosmoloogilise konstandi vaatest, kuna nad võivad muutuda eriti aeglaselt.
Tänapäeval vaadeldavas universumis on tumeenergia osakaal ligikaudu 68,3% kogu energiast – eeldades, et standardne kosmoloogiamudel on õige. Tumeainet on universumis umbes 26,8% ning ülejäänud 4,9% moodustab kõik – inimeste mõistes – tavaline aine.
Tumeenergia tihedus (~ 7 × 10−30 g/cm3) on väga väike võrreldes tavalise aine või tumeainega meie universumis, kuid see siiski domineerib massenergias meie universumis, kuna seda on ühtlaselt nii palju.
Tumeenergiat aetakse tihti segi tumevedelikuga, tumevooluga või tumeainega.
Eksistentsi.
Tõendid tumeenergia kohta on kaudsed, kuid tulenevad kolmest iseseisvast allikast:
Supernoova.
1998. aastal avaldas High-Z Supernova uuringurühm vaatlustulemused tüüp Ia supernoovast. Järgmisel aastal Supernoova kosmoloogja project lisas, pakkudes välja, et universumi paisumise kiirus kiireneb. 2011. aasta Nobeli füüsikaauhind anti Saul Perlmutterile, Brian P. Schmidtile ja Adam G. Riessile nende juhendamise eest antud avastuses. (Tegelikult sai Perlmutter pool auhinda, ülejäänud pool läks jagamisele Schmidt ja Riessi vahel.)
Alates sellest on need vaatlused olnud kinnitatud paljude teiste iseseisvate allikate poolt kosmoloogilise mikrolaine-taustkiirgusemõõtmiste, gravitatsioonilise objektiivmõõtmiste ja laiapõhjaliste kosmose struktuuri mõõtmistega. Lisaks on ka täiendatud mõõtmised supernoovast olnud ka pidevad Lambda-CDM mudeliga.
Mõned inimesed küll vaidlevad vastu, et ainuke indikatsioon tumeenergia olemasolu kohta on vaatlused distantsi mõõtmiste kohta ja nende tulemused, mis on seostatud punanihetega. Kosmiline mikrolaine-taustkiirguse anisotroopne ja barüoniitne akustiline võnkumised ainult näitavad, et vahemaad mingi antud punanihkeni on suuremad, kui nad arvatavasti peaksid olema arvestades Friedmann-lemaˇitre universumi ja lokaalseid mõõtmisi Hubble'i konstandist.
Supernoovad on kasulikud kosmoloogias, sest nad on täiuslikud standardsed "küünlad" läbi kosmoloogiliste vahemaade. Tänu neile on universumi paisumise ajalugu mõõdetav vaadeldes nende suhteid vahemaa kohta objektist tema punanihkeni, mis ütleb meile, kui kiiresti see kaugeneb meist. See suhe on enam-vähem lineaarne, vähemalt Hubble'i seaduse kohaselt. Punanihkeid on võrdlemisi kerge mõõta, aga antud vahemaad tema objektini on võrdlemisi keeruline leida. Tavaliselt astronoomid kasutavadki neid standardseid "küünlaid" – objekte, mille sisemine heledus, tema absoluutne magnituud, on teada. See luba meil omakorda antud objekt vahemaad mõõta tema päris vaadeldavast heledusest. Tüüp a Ia supernoova on tuntud kui standardsed "küünlad" läbi kosmoloogilise vahemaa, sest neil on ekstreemsed kuid sama väga järjepidev heledus.
Kõige hilisemad vaatlused supernoovast on järjepidevad, kui meie universum koosneb umbes 71,3% tumeenergiast ja 27,4% tumeainest ja mateeriast.
Ajalugu – varasemad spekulatsioonid ja tumeenergia avastamine.
Tumeenergia ja inflatsioon.
1980 pakuti välja negatiivse rõhu väli, mis sarnaselt tumeenergia kontseptsiooniga võis kosmilist inflatsiooni toita väga varajases universumis – see pakuti välja Alan Guthi ja Alexei Starobinsky poolt. Antud inflatsioon postuleerib, et mingi eemaletõukav jõud – väga sarnaselt tumeenergiaga – põhjustas massiivse ja ekspotentsiaalse universumi laienemis mõned hetked pärast Suurt pauku. Selline laienemine on hädavajalik omadus meie praegustele Suure paugu mudelite jaoks. Kui siiski usutakse, et inflatsioon pidi toimuma palju suurema energia tihedusega, kui on tumeenergia, mida me saame vaadelda tänapäeval ja on arvatud, et pidi lõppema täielikult, kui vaadeldav universum oli kõigest mõned sekundid vana. See on ebaselge, mis seos – kui üldse mingi seos – on tumeenergia ja inflatsiooni vahel. Isegi pärast seda, kui inflatsioonimudeleid muutusid üldtunnustatuteks, arvati, et kosmoloogiline konstant on ebatähtis meie praeguse universumi jaoks.
Peaaegu kõik inflatsioonimudelid ennustavad, et kogu universumi tihedus, mateeria liidetud energiaga, peaks olema väga lähedal kriitilisele tihedusele. Enamus kosmoloogilised uurijad 1980ndatel suunasid oma tähelepanu mudelitele, milles oli kriitiline tihedus ainult mateerias, tavaliselt kuskil 95% külm tumeaine ja 5% tavaline mateeria. Leiti, et need mudelit on väga edukad realistlike galaktikate ja klastrite moodustamises, aga sellest hoolimata esinesid mõned probleemid 1980. aastate lõpus – täpsemalt vajas mudel väiksemat Hubble'i konstanti, kui eelistati, vaatluse käigus ja seetõttu antud mudelit ennustasid suuri galaktikaklastreid liiga väikselt. Raskused kasvasid ka pärast anisotroopia avastamist kosmilise mikrolaine-taustkiirguses COBE poolt 1992 ja seetõttu hakati uurima ja taas hindama paljusid varasemaid muudetud CDM-mudeleid: nt Lambda-CDM mudel ja mudel, kus külma ja kuuma tumemateeriat oli omavahel ühildatud.
Esimene otsene tõestus tumeenergia kohta tuli supernoova vaatlusest 1998 aastal ja pärast seda muutus Lambda-CDM mudel juhtivaks mudeliks. Lühidalt hiljem hakkasid individuaalsed vaatlused ka toetama tumeenergiat – 2000 BOOMERanG ja Maxima kosmilise mikrolaine-taustkiirguse eksperiment vaatles esimest akustilist tippu CMB mudelis, niädates, et kogutihedus – mateeria ja energia kokku – on ligi sajale protsendile kriitilisest massist. Järgmisel aastal tõi 2dF Galaxy Redshift Survey tugevaid tõestusi, et mateeria tihedus on 30% lähedal kriitilisest massist. Nende kahe uuringu suur vahe toob väga hästi välja, et tumeenergia on just see, mis nad võrdustab. Pärast seda on tehtud palju täpsemaid mõõtmisi ja uuringuid WMAP poolt 2003–2010, mis veel rohkem kindlustab meie standardset mudelit mõõtes täpsemalt võtme parameetreid mudeli jaoks.
Einsteini kosmoloogiline konstant.
Kosmoloogiline konstant on muutumatu suurus, mida saab kasutada Einsteini üldrelatiivsusteooria välja valemis. Kui seda konstanti vaadelda allikana antud välja valmis, siis saab seda võtta kui võrdsena "tühjaruumi massiga" ehk vaakumenergiana.
Ettepaneku selle kosmoloogilise konstandi kohta tegi esimesena Einstein – kui mehhanismina, mis suudaks omistada vastuse gravitatsioonilise väljavalemile, tänu millele me jõuaks staatilise universumini – kus efektiivselt saaks kasutada tumeenergiat, et tasakaalustada gravitatsiooni. Einstein andis ka kosmilisele konstandile sümboli Λ.
Antud mehhanism oli väga hästi , kuid sellegipoolest hiljem avastati, et Einsteini staatiline universum ei oleks stabiilne. Antud tasakaal oleks ebastabiilne, sest kui universum laieneks õrnalt, siis antud paisumine vabastaks vaakumenergiat, mis omakorda tekitaks omakordse paisumise. Samamoodi oleks vastupidises olukorras: kui universum tõmbuks õrnalt kokku jääkski ultimaatselt kokku tõmbuma.
1929. aastal tegi Edwin Hubble uue vaatluse, millega ta näitas ära, et universum tõesti paisub, kuid see paisumine ei ole staatiline.
Väidetavalt Einstein refereeris oma ebaedu ideed dünaamilise universumi ennustamist läbi staatilise universumi oma kõige suuremaks prohmakaks.
Muutus paisumises aja jooksul.
Mõistmaks, kuidas universumi paisumine muutub ajas ja ruumis on meil vaja väga täpseid mõõtmisi universumi paisumisest. Üldrelatiivsusteoorias on universumi paisumise kiiruse areng tuletatud universumi kumerusest ja kosmoloogilise võrrandi seisundist (mis on temperatuuri, rõhu, ühinenud mateeria, energia ja vaakumenergia tiheduse suhe ükskõik millise universumi regioonis).
Kosmoloogilise võrrandi seisundi mõõtmine tumeenergia jaoks on üks kõige raskemaid katsumusi vaadeldavas kosmoloogias tänapäeval. Kui veel lisada ka kosmoloogiline konstant kosmoloogilisele standardile FLRW-le, siis me jõuame lambda-CDM mudelini, millele ongi antud nimetus – standardne kosmoloogia mudel – kuna selle tulemused väga täpselt lähevad kokku vaatlustulemustega.
Alates aastast 2013 on lambda-CDM mudel konstante üha agressiivsemate ja suuremate kosmoloogiliste vaatlustega, isegi kaasa arvatud Planck kosmosesõiduki ja Supernova Legacy Survey tulemustega. Esmakohased tulemused SNLS (Supernova Legacy Survey) näitavad, et keskpärane tumeenergia käitumine on Einsteini kosmoloogilise konstandiga ±10% täpsuses. Hiljutised Hubble Space Telescope Higher-Z meeskonna tulemused osutavad, et tumeenergia on olnud olemas vähemalt üheksa miljardit aastat ja ka perioodis, mis oli enne kosmilist kiirendumist.
Loomus.
Esiteks, tumeenergia loomus on pigem hüpoteetiline, kui on seda tumeaine loomus ja paljud asjad tumeenergia loomuse kohta jäävad siiski veel spekulatsiooni tasandile. Tumeenergia on väga homogeene, mitte väga tihe, ja ei ole teada, et tumeenergia mõjutaks või oleks seletatav ühegi fundamentaalse jõuga peale gravitatsiooni. Kuna tumeenergia on väga hõre ja väga väikse massiga (10−27 kg/m3 ) on ka väga ebatõenäoline, et see oleks märgatav/mõõdetav laboratoorsetes tingimustes ja katsetes. Põhjus miks tumeenergial saab olla nii suur mõju universumile on see, et ta moodustab siiski ligikaudu 68% universaalsest tihedusest, ning olenemata sellest, et ta on väga hõre täidab ta siiski väga ühtlaselt kogu tühjad kohad.
Sõltumata enda pärisloomusest vajaks tumeenergia väga tugevat negatiivset rõhku (mis käituks eemaletõukavalt) nagu radiatsiooni rõhk käitub metamateerias, et seletada vaadeldavat universumi paisumise kiirendust.
Üldrelatiivsusteooria kohaselt rõhk, mis on mingi aine sees panustab omaenda gravitatsiooni atraktsiooni teiste asjade vastu, täpselt nagu ta enda massitihedus seda teeb. See juhtub põhiliselt sellepärast, et füüsiline hulk ainet, mis põhjustab mateerial oma enda gravitatsioonilise efekti genereerumise on tegelikult stressienergia tensor – mis sisaldab nii energia (või mateeria) tihedust kui ka selle rõhku ja viskoossust. FLRW meeter näitab, et tugev konstante negatiivne rõhk kogu universumis põhjust kiirendumist universumi paisumises, kui universum juba paisub või siis ka vastupidi universumi kahanemise aeglustumist, kui universum juba kahaneb. See kiireneva paisumise efekt on miski, mida me saame nimetada gravitatsiooniliseks eemaletõukamiseks.
Definitsioon.
Standardses kosmoloogias koosneb universum kolmest peamisest osast: mateeriast, radiatsioonist ja tumeenergiast. Mateeria on kõik, mille energia tihedus skaleerub skaala faktori ruutjuure kolmanda negatiivse astmega, samal ajal radiatsioon on kõik, mis skaleerib skaala faktori ruutjuure neljanda negatiivse astmega. Seda saab mõista intuitiivselt – kui tavaline osake on kastis siis korrutades kahega kasti külge muutub tihedus väiksemaks (ja seetõttu ka energia tihedus) kaks astmel kolme võrra. Radiatsioonist rääkides väheneb energia tihedus veel rohkem, sest lisaks tekib ka punanihe.
Viimane osa, tumeenergia, on universumisisene omadus ja seega ei oma konstantset energia tihedust hoolimata hulgast, mis on vaatluse all.