انرژی تاریک

در کیهان شناسی فیزیکی و نجوم، انرژی تاریک نوعی انرژی ناشناخته است که حضور آن در تمام فضا فرض می شود و تمایل دارد که گسترش جهان را تسریع کند. انرژی تاریک، پذیرفته شده ترین فرضیه برای توضیح مشاهدات رصدی از دهه ۱۹۹۰ است که نشان می دهد جهان با یک شتاب متغیر در حال انبساط است.

با فرض اینکه الگوی استاندارد کیهان شناسی صحیح باشد، بهترین اندازه گیری های فعلی نشان می دهد که انرژی تاریک ۶۸٪ از کل انرژی در جهان قابل مشاهده امروزی را شامل می شود. انرژی ماده تاریک و ماده معمولی یا همان ماده باریونی به ترتیب ۲۷٪ و ۵٪ از کل انرژی جهان را تامین می کنند. چگالی انرژی تاریک بسیار کم است.

این مقدار بسیار کمتر از چگالی ماده معمولی یا ماده تاریک در کهکشان ها می باشد. با این حال، انرژی تاریک بر مجموع انرژی ماده تاریک و ماده باریونی در جهان مسلط است زیرا در سراسر فضا پراکنده است.

دو شکل برای انرژی تاریک مطرح شده ‌است. یکی ثابت کیهان شناسی است به این صورت که یک چگالی انرژی ثابت وجود دارد که به طور همگن جهان را پر می ‌کند. دیگر شکل نیز وجود میدان های اسکالر است. این میدان های اسکالر کمیت‌ هایی دینامیکی هستند که چگالی انرژی آن‌ ها می ‌تواند در فضا و زمان تغییر کند. بخش‌ هایی از میدان ‌های اسکالر که در فضا ثابت هستند هم معمولاً به عنوان ثابت کیهان‌ شناسی محسوب می ‌شوند. ثابت کیهان شناسی می‌ تواند به گونه ‌ای فرمول بندی شود که برابر انرژی خلا باشد. میدان‌ های اسکالری که در فضا تغییر می‌ کنند به سختی می ‌توانند از ثابت کیهان ‌شناسی تشخیص داده شوند، زیرا اختلاف آن ها ممکن است بسیار اندک باشد.

انرژی تاریک ۱

ثابت کیهان شناسی انیشتین

“ثابت کیهان شناسی” مقدار ثابتی است که می تواند به معادله نسبیت عام انیشتین اضافه شود. اگر در معادله میدان، ثابت کیهان شناسی به عنوان بخشی از منبع در نظر گرفته شود، می توان آن را معادل جرم فضای خالی (که از نظر مفهومی می تواند مثبت یا منفی باشد) یا “انرژی خلاء” تلقی کرد.

ثابت کیهان شناسی برای اولین بار توسط انیشتین به عنوان مکانیسمی برای به دست آوردن راه حل معادله میدان گرانشی که منجر به یک جهان ایستا می شود، پیشنهاد شد. وی به طور موثری از انرژی تاریک برای تعادل گرانش استفاده کرد. انیشتین نماد Λ (لامبدا بزرگ) را به ثابت کیهان شناسی اختصاص داد.

انیشتین اظهار داشت که ثابت کیهان شناسی ایجاب می کند که “فضای خالی نقش جاذبه توده هایی با جرم منفی را که در کل فضای بین ستاره ای توزیع شده اند، ایفا کند.”

این مکانیزم نمونه ای از موارد کاربرد تنظیم دقیق در مشخص کردن مقدار دقیق ثابت کیهان شناسی بود و بعداً مشخص شد که جهان استاتیک انیشتین پایدار نخواهد بود. زمانی که تعادل ناپایدار باشد اگر جهان کمی گسترش یابد، این انرژی باعث آزاد سازی انرژی خلاء می شود. که این مسئله باعث انبساط بیشتر فضا می شود. این نوع آشفتگی ها به دلیل توزیع نا موزون ماده در سراسر جهان اجتناب ناپذیر است. علاوه بر این، مشاهدات انجام شده توسط ادوین هابل در سال ۱۹۲۹ نشان داد که به نظر می رسد جهان در حال گسترش است و اصلاً ایستا نیست. پس از این اکتشافات بنابر گزارش های اینشتین، عدم موفقیت وی در پیش بینی ایده جهان در حال انبساط که بر اساس یک جهان ایستا بود مشخص شد. بعد ها وی فرض ایستایی جهان را به عنوان بزرگترین اشتباه خود ذکر کرد.

انرژی تاریک تورمی

آلن گوت (Alan Guth) و الکسی استاروبینسکی (Alexei Starobinsky) در سال ۱۹۸۰ اظهار داشتند که یک زمینه فشار منفی در جهان، مشابه با مفهوم انرژی تاریک، می تواند تورم کیهانی را در همان جهان اولیه ایجاد کند. در نظریه تورم فرض می شود که برخی از نیرو های دفع کننده، از نظر کیفی شبیه به انرژی تاریک، به انبساط عظیم و نمایی کیهان، اندکی پس از مهبانگ منجر می شوند. چنین گسترشی یکی از ویژگی های اساسی اکثر مدل های فعلی مهبانگ است. با این وجود، تورم باید در چگالی انرژی بسیار بالاتر از انرژی تاریکی که امروزه مشاهده می کنیم رخ داده باشد و تصور می شود این دوره ی تورمی زمانی که جهان فقط کسری از ثانیه عمر داشته، کاملاً به پایان رسیده است. مشخص نیست چه ارتباطی بین انرژی تاریک و تورم وجود دارد. حتی پس از پذیرش مدل های تورمی، تصور می شد که ثابت کیهان شناسی برای جهان فعلی بی ربط است.

تغییر شتاب در انبساط جهان با گذشت زمان

برای درک چگونگی تغییر سرعت انبساط در طول زمان و مکان، اندازه گیری های دقیق از گسترش جهان مورد نیاز است. در نسبیت عام، تکامل نرخ انبساط در انحنای جهان و معادله کیهان شناختی حالت (رابطه بین دما، فشار و ماده ترکیبی، انرژی و چگالی انرژی خلاء) برای هر منطقه از فضا برآورد می شود. اندازه گیری معادله حالت برای انرژی تاریک یکی از بزرگترین تلاش ها در کیهان شناسی رصدی امروز است. اضافه کردن ثابت کیهانی به متریک  FLRW استاندارد کیهان شناسی، منجر به ابداع مدل Lambda-CDM شده است که به دلیل توافق با مشاهدات رصدی از آن به عنوان “مدل استاندارد کیهان شناسی” یاد شده است.

انرژی تاریک ۲