Hvordan styrtende neutronstjerner dræbte nogle af vores bedste ideer om, hvad mørk energi er

Der var stor begejstring, da forskere var vidne til den voldsomme kollision mellem to ultratætte, massive stjerner mere end 100m lysår fra Jorden tidligere på året. Ikke alene fangede de de resulterende gravitationsbølger - krusninger i rumtiden - de så også et praktisk taget øjeblikkeligt lysglimt. Dette er i sig selv spændende og var det første direkte bevis for en fusion af neutronstjerner.

Men set fra en kosmologs perspektiv, foto-finishen af ​​gravitationsbølgerne og lysglimtet har med et slag nedrevet års forskning i et helt uafhængigt problem:hvorfor accelererer udvidelsen af ​​universet?

Det viser sig, at rum og tid faktisk kan ændres, bøjelig, fleksibel og sprudlende, frem for konstant, fast eller urørlig. Dette har været kendt siden Einstein offentliggjorde sin teori om generel relativitetsteori, hvilket forklarer, hvordan tyngdekraften vrider rumtiden. De subtile effekter, som denne mutabilitet forårsager, skal tages i betragtning, selv i den GPS, der får din satellitnavigering og iPhone til at fungere.

En forudsigelse af Einsteins teori var, at det skulle være muligt for rumtiden at have bølger i det, som havets overflade. Disse ville være synlige, hvis man kunne, for eksempel, smadre to sorte huller sammen. Denne forudsigelse blev dramatisk set ved den første påvisning af gravitationsbølger ved LIGO -eksperimentet i 2015. Opdagelsen åbnede en helt ny måde at undersøge kosmos på, og fik Nobelprisen for fysik.

Den nye opdagelse af gravitationsbølger fra fusionen af ​​neutronstjerner har også dybe konsekvenser for vores forståelse af universet. Men for kosmologerne var det lysglimt 1,7 sekunder efter gravitationsbølgerne, der var den mere spændende observation.

Det kosmiske fartkamera

Den 1,7 sekunders forsinkelse er vigtig, fordi det betyder, at gravitationsbølgerne og lysbølgerne havde bevæget sig næsten Nemlig samme hastighed. Faktisk er dette to af de mest matchede observerede hastigheder nogensinde:de to adskilte sig kun med en del på 10 mio. Mia.

For at sætte dette i kontekst, hvis fartkameraerne på vejen kunne måle hastighedsforskelle så fint, ville du få en billet til at køre 30.0000000000000001mph i en 30mph zone.

Sammenlignet med de bedste målinger, kosmologer håbede på i fremtiden, er dette en faktor på en million milliarder gange bedre. Faktorerer i, at de elektromagnetiske bølger kan have taget lidt tid at flygte fra uroen ved en neutronstjernekollision, for alt i verden er hastighedsforskellen nul.

Kosmologi er lidt af en pickle. Vi har en fantastisk model, der kan forklare udviklingen af ​​universet fra en brøkdel af et sekund før big bang, indtil nu cirka 14 milliarder år senere. Problemet er, at for at forklare alle observationer, en mystisk energi kaldet "mørk energi" skal føjes til modellerne. Mørk energi er et kæmpe problem, det tegner sig for omkring 70% af al energien i universet, og vi aner absolut ikke, hvad det er.

Mørk energi er synes godt om en antigravitationsvirkning, der skubber universet fra hinanden og får dets ekspansion til at accelerere. Så for at forklare mørk energi, kosmologer har forsøgt at ændre eller erstatte Einsteins teori for at se, om en ny teori om rumtid endelig kunne forklare virkningerne af mørk energi.

En måde, kosmologer forsøgte at gøre dette på, var ved at ændre hastigheden, hvormed gravitationsbølger og lys rejste. Der var mange forskellige teorier, der havde denne komponent - hver med et særegent navn som kvartiske og kvintiske galileoner, vektor-tensor-teorier, generaliserede proca -teorier, storhedsteorier og så videre. Uden data kunne nogen af ​​teorierne have været korrekte, og der var mange mennesker, der håbede om, at de kunne være den næste Einstein eller Newton.

Hvor er vi nu?

Men nu i en enkelt observation fra en enkelt neutronstjernefusion er en lang række af disse nu blevet overført til kosmologisk skraldespand i en mængde papirer (her, her, her, her, her og her). Så ingen ny Einstein endnu.

I mangel af overbevisende data, det er stadig muligt, at vi kan opdatere Einstein, så vi kan tage højde for mørk energi. Men vrikkerne fra gravitationsbølgedataene har efterladt meget lidt vrimlerum.

Alle de teorier, der har overlevet beskæringen, er meget enklere end dem, der var tilladt før; og den enkleste teori, og frontløberen, er, at mørk energi er energien i det tomme rum, og tilfældigvis bare har den værdi, vi observerer.

En anden forklaring, der har overlevet, er, at det er et Higgs-lignende felt. Den nu berømte Higgs -boson er en manifestation af et "Higgs -felt" - det første "skalarfelt", der observeres i naturen. Dette er et felt, der har en værdi på hvert punkt i rumtiden, men ingen retning. En analogi ville være et trykkort på en vejrudsigt (værdier overalt, men ingen retning). Et vindkort, på den anden side, er ikke et skalarfelt, da det har hastighed og generel retning. Bortset fra Higgs, alle partikler i naturen er forbundet med "kvantefelter", der ikke er skalare. Men ligesom Higgs, mørk energi kan være en undtagelse:et allestedsnærværende skalarfelt, der skubber universet fra hinanden i alle retninger.

Heldigvis skal vi ikke vente længe, ​​før nye teleskoper vil teste de resterende teorier, og en stor del af det kosmologiske puslespil vil blive afsluttet.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.