Mørk Energi :Det Største Mysteriet I Universet / Vitenskap

To ganger om dagen, syv dager i uken, fra februar til November de siste fire årene har to forskere lagdelt seg med termisk undertøy og yttertøy, med fleece, flanell, doble hansker, doble sokker, polstret overalls og puffete røde parkas, mumifiserer seg til de ser ut som twin Michelin-Menn. Deretter går de utenfor, handel varme og moderne bekvemmeligheter av en vitenskap stasjon (foosball, treningssenter, 24-timers kafeteria) for et minus-100-graders Fahrenheit særpreg landskap, flatere Enn Kansas og en Av De kaldeste stedene på planeten. De traske i mørket nesten en mil, over et platå av snø og is, før de skjelne, på bakgrunn av flere stjerner enn noen hands-in-pocket bakgård observatør noensinne har sett, silhuetten av den gigantiske disken Av South Pole Telescope, hvor de blir med en global innsats for å løse muligens den største gåten i universet: hva det meste er laget av.i tusenvis av år har arten vår studert nattehimmelen og lurt på om det er noe annet der ute. I fjor feiret Vi 400-årsjubileet For Galileos svar: Ja. Galileo trente et nytt instrument, teleskopet, på himmelen og så gjenstander som ingen annen person noensinne hadde sett: hundrevis av stjerner, fjell på Månen, satellitter Av Jupiter. Siden da har vi funnet mer enn 400 planeter rundt andre stjerner, 100 milliarder stjerner i vår galakse, hundrevis av milliarder galakser utover vår egen, selv den svake strålingen Som er ekkoet Av Big Bang.nå tror forskere at selv denne ekstravagante folketellingen av universet kan være like utdatert som den fem-planet kosmos Som Galileo arvet fra de gamle. Astronomer har samlet bevis på at det vi alltid har tenkt på som det faktiske universet-meg—du, dette bladet, planeter, stjerner, galakser, alt saken i rommet-representerer bare 4 prosent av det som faktisk er der ute. Resten kaller de, i mangel av et bedre ord, mørkt: 23 prosent er noe de kaller mørkt materiale, og 73 prosent er noe enda mer mystisk, som de kaller mørk energi.»Vi har en komplett oversikt over universet,» Sean Carroll, En California Institute Of Technology cosmologist, har sagt, » og det gir ingen mening.»Forskere har noen ideer om hva mørk materie kan være-eksotiske og fortsatt hypotetiske partikler-men de har knapt en anelse om mørk energi. I 2003, National Research Council oppført «Hva Er Naturen Av Mørk Energi?»som en av de mest presserende vitenskapelige problemene i de kommende tiårene. Leder av komiteen som skrev rapporten, University Of Chicago kosmolog Michael S. Turner, går videre og rangerer mørk energi som » den mest dyptgripende mysterium i all vitenskap.»innsatsen for å løse det har mobilisert en generasjon astronomer i en revurdering av fysikk og kosmologi for å konkurrere og kanskje overgå Revolusjonen Galileo innviet på en høstkveld i Padua. De kommer til uttrykk med en dyp ironi: det er selve synet som har blindet oss til nesten hele universet. Og anerkjennelsen av denne blindheten har igjen inspirert oss til å spørre, som om for første gang: Hva er denne kosmos vi kaller hjem?På 1970-tallet ble Forskerne enige om at det var mer ved universet enn det som møter øyet. I datasimuleringer av vår galakse, Milky Way, fant teoretikere at senteret ikke ville holde—basert på hva vi kan se av det, har vår galakse ikke nok masse til å holde alt på plass. Når den roterer, bør den gå i oppløsning, kaste stjerner og gass i alle retninger. Enten bryter en spiralgalakse som Melkeveien gravitasjonsloven, eller lyset som kommer fra den—fra de enorme glødende gassskyene og de utallige stjernene-er en unøyaktig indikasjon på galaksens masse.

men hva om en del av galaksens masse ikke utstrålte lys? Hvis spiralgalakser inneholdt nok av slik mysteriummasse, så kan de godt være å adlyde tyngdekraften. Astronomer kalt den usynlige massen » mørk materie.»Ingen har noen gang fortalt oss at all materie strålte,» Sa Vera Rubin, en astronom hvis observasjoner av galakse rotasjoner ga bevis for mørk materie, har sagt. «Vi antok bare at det gjorde det.»innsatsen for å forstå mørk materie definerte mye av astronomien de neste to tiårene. Astronomer kan ikke vite hva mørk materie er, men å utlede sin tilstedeværelse tillot dem å forfølge på en ny måte et evig spørsmål: Hva er universets skjebne?

De visste allerede at universet ekspanderer. I 1929 hadde astronomen Edwin Hubble oppdaget at fjerne galakser beveget seg vekk fra oss, og at jo lenger unna de kom, desto raskere syntes de å være avtagende.

dette var en radikal ide. I stedet for det staselige, evig uforanderlige stilleben som universet en gang syntes å være, var det faktisk levende i tid, som en film. Spol tilbake filmen av utvidelsen, og universet vil til slutt nå en tilstand av uendelig tetthet og energi—hva astronomer kaller Big Bang. Men hva om du treffer raskt fremover? Hvordan ville historien ende?

universet er fullt av materie, og materie tiltrekker seg annen materie gjennom tyngdekraften. Astronomer begrunnet at den gjensidige tiltrekningen blant alt som betyr noe, må bremse universets ekspansjon. Men de visste ikke hva det endelige resultatet ville bli. Ville gravitasjonseffekten være så kraftig at universet til slutt ville strekke en viss avstand, stoppe og reversere seg selv, som en ball kastet inn i luften? Eller ville det være så lite at universet ville unnslippe sin forståelse og aldri slutte å ekspandere, som en rakett som forlater Jordens atmosfære? Eller levde vi i et utsøkt balansert univers, hvor tyngdekraften sikrer En Goldilocks ekspansjonshastighet, verken for fort eller for sakte-så universet til slutt ville komme til en virtuell stillstand?Forutsatt eksistensen av mørk materie og at gravitasjonsloven er universell, satte to lag astrofysikere—en ledet av Saul Perlmutter, Ved Lawrence Berkeley National Laboratory, Den Andre Av Brian Schmidt, Ved Australian National University—seg for å bestemme universets fremtid. Gjennom 1990-tallet analyserte de rivaliserende lagene en rekke eksploderende stjerner, eller supernovaer, ved hjelp av de uvanlig lyse, kortvarige fjerne objektene for å måle universets vekst. De visste hvor lyse supernovaene skulle vises på forskjellige punkter over hele universet hvis ekspansjonshastigheten var jevn. Ved å sammenligne hvor mye lysere supernovaene faktisk viste seg, skjønte astronomer at de kunne bestemme hvor mye utvidelsen av universet bremset ned. Men til astronomenes overraskelse, da de så så langt som halvveis over universet, seks eller syv milliarder lysår unna, fant de at supernovaene ikke var lysere – og derfor nærmere-enn forventet. De var dimmer – det vil si fjernere. De to lagene konkluderte begge med at utvidelsen av universet ikke avtar. Det øker farten.implikasjonen av denne oppdagelsen var betydningsfull: det betydde at den dominerende kraften i universets utvikling ikke er tyngdekraften. Det er det…noe annet. Begge lagene annonserte sine funn i 1998. Turner ga » noe » et kallenavn: mørk energi. Den sitter fast. Siden da har astronomer forfulgt mysteriet om mørk energi til jordens ender—bokstavelig talt.»Sørpolen har Det hardeste miljøet på Jorden, men også det mest gunstige,» sier William Holzapfel, En Astrofysiker Ved University Of California I Berkeley, som var hovedforsker på South Pole Telescope (SPT) da jeg besøkte.

Han refererte ikke til været, men i uken Mellom Jul Og Nyttårsdag-tidlig sommer På Den Sørlige Halvkule-skinnet Solen døgnet rundt, temperaturene var knapt i minus enkeltsifre (og en dag brøt selv null), og vinden var for det meste rolig. Holzapfel gjorde turen fra National Science Foundations Amundsen-Scott South Pole Station (et snøballkast fra selve polens tradisjonelle sted, som er merket med, ja, en pol) til teleskopet iført jeans og løpesko. En ettermiddag ble teleskopets laboratoriebygning så varm at mannskapet åpnet en dør.Men Fra en astronoms perspektiv, ikke før Solen går ned og holder seg nede—Mars Til September— Blir Sørpolen » godartet.»

«det er seks måneder med uavbrutt data,» sier Holzapfel. I løpet av 24-timers mørket i austral høst og vinter opererer teleskopet nonstop under upåklagelige forhold for astronomi. Atmosfæren er tynn (polen er mer enn 9300 meter over havet, hvorav 9000 er is). Atmosfæren er også stabil, på grunn av fravær av varme – og kjøleeffekter av en stigende Og nedstigende Sol; polen har noen av De roligste vindene På Jorden, og de blåser nesten alltid fra samme retning.Kanskje det Viktigste for teleskopet, luften er usedvanlig tørr; Teknisk Sett Er Antarktis en ørken. (Hakkede hender kan ta uker å helbrede, og svette er egentlig ikke et hygieneproblem, så begrensningen til to dusjer i uken for å spare vann er ikke mye av et problem. Som en pole veteran fortalte meg, «i det øyeblikket du går tilbake gjennom tollen På Christchurch , det er da du trenger en dusj.») SPT oppdager mikrobølger, en del av det elektromagnetiske spektret som er spesielt følsomt for vanndamp. Fuktig luft kan absorbere mikrobølger og hindre dem i å nå teleskopet, og fuktighet avgir sin egen stråling, som kan misforstås som kosmiske signaler.for å minimere disse problemene har astronomer som analyserer mikrobølger og submillimeterbølger gjort Sydpolen til et andre hjem. Deres instrumenter ligger I Den Mørke Sektoren, en tett klynge av bygninger der lys og andre kilder til elektromagnetisk stråling holdes på et minimum. (I nærheten ligger Den Stille Sektoren, for seismologisk forskning, Og Ren Luft Sektor, for klimaprosjekter.)

Astronomer liker å si at for mer uberørte observasjonsforhold må de gå inn i verdensrommet-et eksponentielt dyrere forslag—og EN SOM NASA generelt ikke liker å forfølge med mindre vitenskapen ikke lett kan gjøres på Jorden. (En mørk energisatellitt har vært på og av tegnebrettet siden 1999, og i fjor gikk «tilbake til square one», ifølge EN NASA-rådgiver.) I Hvert Fall på Jorden, hvis noe går galt med et instrument, trenger du ikke å rekvirere en romferge for å fikse det.Usa har opprettholdt en helårig tilstedeværelse på polen siden 1956, og Nå Har National Science Foundations AMERIKANSKE Antarctic-Program fått livet der ned til, vel, en vitenskap. Inntil 2008 ble stasjonen plassert i en geodetisk kuppel hvis krone fortsatt er synlig over snøen. Den nye basestasjonen ligner et lite cruiseskip mer enn en ekstern utpost og sover mer enn 150, alt i private kvartaler. Gjennom koøyer som linje de to etasjene, du kan tenke en horisont som hypnotisk nivå som noen havets. Den nye stasjonen hviler på heiser som, som snø samler seg, tillater det å bli jacked opp to fulle historier.snøfallet i denne ultra-tørre regionen kan være minimal, men det som blåser inn fra kontinentets kanter kan fortsatt gjøre et rot, noe som skaper EN AV DE mer verdslige oppgavene FOR SPTS vinter-over mannskap. En gang i uken i de mørke månedene, når stasjonens befolkning krymper til rundt 50, må DE TO spt-forskerne på stedet klatre inn i teleskopets 33 fot brede mikrobølgeskål og feie det rent. Teleskopet samler data og sender det til skrivebordene til fjerne forskere. De to» winter-overs » tilbringer sine dager med å jobbe med dataene, og analyserer det som om de var hjemme. Men når teleskopet treffer en feil og en alarm på sine bærbare datamaskiner lyder, må de finne ut hva problemet er—raskt.»en time med nedetid er tusenvis av dollar av tapt observasjonstid,» sier Keith Vanderlinde, en av 2008s to vinterover. «Det er alltid små ting. En vifte vil bryte fordi det er så tørt der nede, all smøring går bort. Og så vil datamaskinen overopphetes og slå seg av, og plutselig er vi nede og vi aner ikke hvorfor.»På det tidspunktet kan miljøet ikke virke så «godartet» tross alt. Ingen fly går til Eller Fra Sørpolen Fra Mars til oktober( et flys motorolje vil gelatinisere), så hvis vinteroversene ikke kan fikse det som er ødelagt, forblir det ødelagt-som ennå ikke har skjedd—mer enn de fleste vitenskaper er astronomi avhengig av synssansen; før astronomer kan tenke nytt om universet som helhet, må de først finne ut hvordan de skal oppfatte de mørke delene. Å vite hva mørk materie er, vil hjelpe forskere til å tenke på hvordan universets struktur dannes. Å vite hva mørk energi gjør, vil hjelpe forskere til å tenke på hvordan strukturen har utviklet seg over tid—og hvordan den vil fortsette å utvikle seg.

Forskere har et par kandidater for sammensetningen av mørk materie-hypotetiske partikler kalt neutralinos og axions. For mørk energi er utfordringen imidlertid å finne ut ikke hva det er, men hvordan det er. Spesielt vil astronomer vite om mørk energi endres over rom og tid, eller om det er konstant. En måte å studere på er å måle såkalte baryon akustiske svingninger. Da universet fortsatt var i sin barndom, bare 379 000 år gammel, ble det avkjølt tilstrekkelig for baryoner (partikler laget av protoner og nøytroner) for å skille fra fotoner (lyspakker). Denne separasjonen etterlot et avtrykk – kalt cosmic microwave background – som fortsatt kan oppdages i dag. Det inkluderer lydbølger («akustiske svingninger») som strømmet gjennom spedbarnsuniverset. Toppene i disse svingningene representerer regioner som var litt tettere enn resten av universet. Og fordi materie tiltrekker seg materie gjennom tyngdekraften, vokste disse regionene enda tettere etter hvert som universet ble eldre, koaleserende først inn i galakser og deretter inn i klynger av galakser. Hvis astronomer sammenligner de opprinnelige kosmiske mikrobølgebakgrunnsoscillasjonene med fordelingen av galakser på forskjellige stadier av universets historie, kan de måle hastigheten på universets ekspansjon.en annen tilnærming til å definere mørk energi innebærer en metode som kalles gravitasjonslinsing. Ifølge Albert Einsteins teori om generell relativitet ser en stråle av lys som reiser gjennom rommet ut til å bøye seg på grunn av gravitasjonskraften av materie. (Faktisk er det plass i seg selv som bøyer, og lyset går bare med på turen.) Hvis to galaksehoper ligger langs en enkelt synslinje, vil forgrunnshopen fungere som en linse som forvrenger lyset som kommer fra bakgrunnshopen. Denne forvrengningen kan fortelle astronomer massen av forgrunnshopen. Ved å samle millioner av galakser i forskjellige deler av universet, bør astronomer kunne estimere hastigheten som galakser har klumpet inn i klynger over tid, og den hastigheten vil igjen fortelle dem hvor fort universet utvidet seg på forskjellige punkter i sin historie.Sydpolteleskopet bruker en tredje teknikk, Kalt Sunyaev-Zel ‘ dovich-effekten, oppkalt etter to Sovjetiske fysikere, som trekker på den kosmiske mikrobølgebakgrunnen. Hvis en foton fra sistnevnte interagerer med varm gass i en klynge, opplever den en liten økning i energi. Ved å oppdage denne energien kan astronomer kartlegge disse klyngene og måle innflytelsen av mørk energi på deres vekst gjennom universets historie. Det er i det minste håpet. «Mange mennesker i samfunnet har utviklet det jeg tror er en sunn skepsis. De sier, «det er flott, men vis oss pengene,» Sier Holzapfel. «Og jeg tror om et år eller to, vil vi være i stand til å gjøre det.»SPT-teamet fokuserer på galaksehoper fordi de er de største strukturene i universet, ofte bestående av hundrevis av galakser-de er en million milliarder ganger solens masse. Når mørk energi presser universet til å ekspandere, vil galaksehoper ha en vanskeligere tid å vokse. De vil bli fjernere fra hverandre, og universet vil bli kaldere og ensomere.»Galaksehoper er som kanariøyene i en kullgruve når det gjelder strukturdannelse,» Sier Holzapfel. Hvis tettheten av mørk materie eller egenskapene til mørk energi skulle forandre seg, ville overflod av klynger » være den første tingen å bli endret.»South Pole Telescope skal kunne spore galaksehoper over tid. Du kan si: «For så mange milliarder år siden, hvor mange klynger var der, og hvor mange er det nå?»Sier Holzapfel. «Og sammenlign dem deretter med dine spådommer .»

likevel kommer alle disse metodene med en advarsel. De antar at vi tilstrekkelig forstår tyngdekraften, som ikke bare er kraften mot mørk energi, men har vært selve grunnlaget for fysikk de siste fire århundrene.Tjue ganger i sekundet, en laser høy I Sacramento-Fjellene I New Mexico mål en puls av lys På Månen, 239.000 miles unna. Strålens mål er en av tre koffertstørrelsesreflektorer Som Apollo-astronautene plantet på månens overflate for fire tiår siden. Fotoner fra strålen spretter av speilet og går tilbake til New Mexico. Total rundtur reisetid: 2,5 sekunder, mer eller mindre.

At «mer eller mindre» gjør hele forskjellen. Ved å planlegge lysets hastighet, kan forskere ved Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation (APOLLO) måle Jordmåneavstanden øyeblikk til øyeblikk og kartlegge Månens bane med utsøkt presisjon. Som I den apokryfe historien Om Galileo som slipper baller fra Det Skjeve Tårnet I Pisa for å teste universaliteten av fritt fall, BEHANDLER APOLLO Jorden og Månen som to baller som faller i solens gravitasjonsfelt. Mario Livio, en astrofysiker Ved Space Telescope Science Institute I Baltimore, kaller det en » helt utrolig eksperiment.»Hvis månens bane viser selv den minste avviket Fra Einsteins spådommer, må forskerne kanskje revurdere sine ligninger-og kanskje til og med eksistensen av mørk materie og mørk energi.»Så langt Holder Einstein,» sier en AV APOLLOS ledende observatører, astronom Russet McMillan, da hennes femårige prosjekt passerer halvveis.Selv Om Einstein ikke holdt, ville forskerne først måtte eliminere andre muligheter, for eksempel en feil i måling Av jordens, Månens eller Solens masse, før de innrømmet at generell relativitet krever korrigerende. Likevel vet astronomer at de tar tyngdekraften for gitt på egen risiko. De har utledet eksistensen av mørk materie på grunn av dens gravitasjonseffekter på galakser, og eksistensen av mørk energi på grunn av dens anti-gravitasjonseffekter på universets ekspansjon. Hva om antagelsen som ligger til grunn for disse to avledningene-at vi vet hvordan tyngdekraften fungerer-er feil— Kan en teori om universet enda mer outlandish enn en posing mørk materie og mørk energi står for bevisene? For å finne ut, tester forskere tyngdekraften ikke bare over hele universet, men over bordplaten. Inntil nylig hadde fysikere ikke målt tyngdekraften på ekstremt nært hold.

» Forbløffende, er det ikke?»Sier Eric Adelberger, koordinator for flere gravitasjonsforsøk som foregår i et laboratorium Ved University Of Washington, Seattle. «Men det ville ikke være forbløffende hvis du prøvde å gjøre det»—hvis du prøvde å teste tyngdekraften på avstander kortere enn en millimeter. Testing av tyngdekraften er ikke bare et spørsmål om å sette to objekter nær hverandre og måle tiltrekningen mellom dem. Alle slags andre ting kan utøve en gravitasjonspåvirkning.

«det er metall her,» Sier Adelberger og peker på et nærliggende instrument. «Det er en åsside over her— – vinker mot et tidspunkt forbi betongveggen som omgir laboratoriet. «Det er en innsjø der borte.»Det er også grunnvannsnivået i jorda, som endres hver gang det regner. Så er det jordens rotasjon, solens posisjon, det mørke stoffet i hjertet av vår galakse.I Løpet Av Det siste tiåret Har Seattle-teamet målt gravitasjonsattraksjonen mellom to objekter på mindre og mindre avstander, ned til 56 mikron (eller 1/500 av en tomme), bare For å sikre At Einsteins likninger for tyngdekraften holder seg til de korteste avstandene også. Så langt gjør de det.Men Selv Einstein innså at hans teori om generell relativitet ikke helt forklarte universet. Han tilbrakte de siste 30 årene av sitt liv, og forsøkte å forene sin fysikk av den store med fysikken til den svært små kvantemekanikken. Han mislyktes.Teoretikere har kommet opp med alle slags muligheter i et forsøk på å forene generell relativitet med kvantemekanikk: parallelle universer, kolliderende universer, bobleuniverser, universer med ekstra dimensjoner, universer som evig reproduserer, universer som spretter Fra Big Bang Til Big Crunch Til Big Bang.Adam Riess, en astronom som samarbeidet Med Brian Schmidt om oppdagelsen av mørk energi, sier at han ser hver dag på Et Nettsted (xxx.lanl.gov/archive/astro-ph) hvor forskere legger ut sine analyser for å se hvilke nye ideer som finnes der ute. «De fleste av dem er ganske kooky,» sier han. «Men det er mulig at noen vil komme ut med en dyp teori.»for alle dens fremskritt, viser astronomi seg å ha arbeidet under en feil, hvis rimelig, antagelse: det du ser er hva du får. Nå må astronomer tilpasse seg ideen om at universet ikke er ting av oss-i den store ordningen av ting, vår art og vår planet og vår galakse og alt vi noensinne har sett er, som teoretisk fysiker Lawrence Krauss fra Arizona State University har sagt, » litt forurensning.»

likevel har kosmologer en tendens til ikke å bli motløse. «De virkelig vanskelige problemene er gode, «sier Michael Turner,» fordi vi vet at de vil kreve en gal ny ide.»Som Andreas Albrecht, en kosmolog ved University Of California I Davis, sa på en nylig konferanse om mørk energi: «Hvis du setter tidslinjen for vitenskapens historie foran meg, og jeg kunne velge når som helst og felt, er dette hvor jeg vil være.»

Richard Panek skrev Om Einstein For Smithsonian i 2005. Hans bok om mørk materie og mørk energi vil vises i 2011.