Astronomia

Influenze dall'esterno dell'universo osservabile che spiegano l'energia oscura e l'espansione?

Influenze dall'esterno dell'universo osservabile che spiegano l'energia oscura e l'espansione?

Potrebbe essere qualche influenza dall'esterno dell'universo osservabile a causare l'espansione?


EDIT - La domanda originale è stata modificata per consentirne la riapertura, ma la mia risposta di seguito ha risposto al modo in cui la domanda era stata inizialmente formulata. Ho lasciato intatta la mia risposta in quanto potrebbe essere utile per affrontare la confusione sulla differenza tra "l'universo" e "l'universo osservabile".


Potrebbe esserci una certa pressione dall'esterno del nostro universo?

Secondo Wikipedia, l'Universo è "tutto lo spazio, il tempo e il loro contenuto". Quindi non ha senso parlare di qualcosa "al di fuori" di tutto lo spazio e il tempo.

Si potrebbe, naturalmente, riferirsi solo all'universo osservabile, "una regione sferica dell'Universo che comprende tutta la materia che può essere osservata dalla Terra in questo momento".

Tuttavia, se le condizioni oltre l'universo osservabile sono ciò che sta causando l'espansione, allora l'Universo non è né omogeneo né isotropo. Sebbene non abbiamo modo di confutare questa idea, tutte le prove indicano un Universo omogeneo e isotropo e la stragrande maggioranza dei fisici sottoscrive questo modello.

causando l'espansione

L'espansione metrica dell'Universo è una proprietà generica dell'Universo sotto la metrica FLRW, una soluzione esatta delle equazioni di campo di Einstein della relatività generale. Non è necessario proporre una causa esterna per l'espansione.


Sì, è possibile, ma non ci sono assolutamente prove per questo.

Teoria delle stringhe - che è, sottolineo, una teoria per la quale esiste no prove -- ha molte variazioni incompatibili, e alcune di esse (ad esempio, le teorie Ekpyrotic) suggeriscono che il nostro universo 4D potrebbe essere uno dei tanti che esistono sulle "brane" in uno spazio a più dimensioni.

Le collisioni tra le brane potrebbero essere possibili e avrebbero un impatto (gioco di parole inevitabile) sul nostro universo - e potrebbero anche essere state la causa del Big Bang. Tali collisioni avrebbero dovuto lasciare un'impronta nello spaziotempo, ma le ricerche per le impronte previste sono risultate negative.

Tuttavia, la teoria delle stringhe e tutti i suoi numerosi figli sono abbastanza flessibili e non vincolati dall'osservazione abbastanza da rendere plausibile una soluzione in cui la costante cosmologica è influenzata da altri universi brane.

Ma non ci crederei qualunque di questo fino a quando non ci saranno alcune prove osservative per la teoria delle stringhe. Al momento è fondamentalmente una versione moderna del Mysterium Cosmographicum di Keplero: la teoria si scatena.


Influenze dall'esterno dell'universo osservabile che spiegano l'energia oscura e l'espansione?

Potrebbe essere qualche influenza dall'esterno dell'universo osservabile a causare l'espansione?

Al di fuori dell'"universo osservabile" c'è la parte dell'universo che è inosservabile.

Il totale universo (osservabile o meno) è tutto ciò che esiste all'interno delle nostre dimensioni.

Al di fuori del nostro universo non c'è nulla, il nostro universo è la piena estensione dell'esistenza nelle nostre dimensioni.

Non ci sono prove che qualcosa al di fuori del nostro universo possa influenzare qualcosa all'interno del nostro universo, non è come se fossimo contenuti in qualcosa.

Anche il tasso di espansione è in disaccordo.

Nell'articolo: "Milky Way Cepheid Standards for Measuring Cosmic Distances and Application to Gaia DR2: Implications for the Hubble Constant" pubblicato sulla rivista The American Astronomical Society (12 luglio 2018), di Adam G. Riess, Stefano Casertano, Wenlong Yuan, Lucas Macri, Beatrice Bucciarelli, Mario G. Lattanzi, John W. MacKenty, J. Bradley Bowers, WeiKang Zheng, Alexei V. Filippenko, Caroline Huang e Richard I. Anderson hanno scritto:

"... il valore della costante di Hubble è stato determinato essere $H_0 = 73,24 ±1,7, $km s$^{−1}, $Mpc$^{−1}$, da R16.". [Nota: R16 è l'articolo di Riess: "A 2.4% Determination of the Local Value of the Hubble Constant".]

… non è coerente con la scala necessaria per abbinare i dati di fondo cosmico a microonde di Planck 2016 combinati con ΛCDM al livello di confidenza di 2,9σ (99,6%). Al 96,5% di confidenza troviamo che gli errori formali DR2 possono essere sottostimati come indicato. Identifichiamo ulteriori errori associati all'uso di campioni di Cefeidi aumentati utilizzando la fotometria terrestre e discutiamo le loro probabili origini. Includere le parallasse DR2 con tutti i dati precedenti sulla scala della distanza aumenta l'attuale tensione tra la rotta dell'universo tardo e primordiale verso la costante di Hubble a 3,8 (99,99%).

Nei "Risultati Planck 2018" pubblicati come: "Risultati Planck 2018. VI. Parametri cosmologici" (17 luglio 2018), dalla Collaborazione Planck: N. Aghanim, Y. Akrami, M. Ashdown, J. Aumont, C. Baccigalupi , M. Ballardini, AJ Banday, RB Barreiro, N. Bartolo, S. Basak, R. Battye, K. Benabed, J.-P. Bernard, M. Bersanelli, P. Bielewicz, J. J. Bock, J. R. Bond, J. Borrill, F. R. Bouchet, F. Boulanger, M. Bucher, C. Burigana, R. C. Butler, E. Calabrese, J.-F. Cardoso, J. Carron, A. Challinor, HC Chiang, J. Chluba, LPL Colombo, C. Combet, D. Contreras, BP Crill, F. Cuttaia, P. de Bernardis, G. de Zotti, J. Delabrouille, J .-M. Delouis, E. Di Valentino, JM Diego, O. Doré, M. Douspis, A. Ducout, X. Dupac, S. Dusini, G. Efstathiou, F. Elsner, TA Enßlin, HK Eriksen, Y. Fantaye, M. Farhang, J. Fergusson, R. Fernandez-Cobos, F. Finelli, F. Forastieri, M. Frailis, E. Franceschi, A. Frolov, et al. (120 autori aggiuntivi non mostrati) hanno scritto:

"La base di Planck-Λla cosmologia CDM richiede una costante di Hubble $H_0 = 67,4±0,5, $km s$^{−1},$Mpc$^{−1}$, in sostanziale tensione 3.6σ con l'ultima determinazione locale di Riess et al. (2018b). La misurazione di Planck è in eccellente accordo con le misurazioni ladder a distanza inversa indipendenti che utilizzano risultati di BAO, supernova e abbondanza di elementi. Nessuno dei modelli estesi che abbiamo studiato in questo articolo risolve in modo convincente la tensione con il Riess et al. (2018b) valore di $H_0$.".

La pagina web di Wikipedia "Espansione dell'universo" spiega:

"L'espansione dell'universo è l'aumento della distanza tra due parti distanti dell'universo nel tempo. È un'espansione intrinseca per cui la scala dello spazio stesso cambia. L'universo non si espande "in" nulla e non ha bisogno di spazio per esistere "fuori".

Tecnicamente né lo spazio, né gli oggetti nello spazio si muovono. Anziché è la metrica che governa la dimensione e la geometria dello spaziotempo stesso che cambia in scala. Sebbene la luce e gli oggetti nello spaziotempo non possano viaggiare più velocemente della velocità della luce, questa limitazione non limita la metrica stessa. A un osservatore sembra che lo spazio si stia espandendo e che tutte le galassie, tranne quelle più vicine, si stiano allontanando.


Penso che la domanda originale sia valida e ho riflettuto su quella domanda per anni

Innanzitutto ho difficoltà a capire la logica nell'affermare che non c'è nulla al di fuori dell'universo osservabile. Il termine 'universo osservabile' per definizione limita la conoscenza a tutto ciò che è osservabile e non esclude nulla al di fuori di esso che non sia osservabile. Se ne è parlato nei post precedenti.

Tuttavia potrebbero esserci effetti osservabili all'interno del nostro universo che potrebbero fornire un indizio sull'esistenza di un'influenza esterna sull'universo conosciuto.

Uno di questi è il fatto che le galassie lontane stanno accelerando, apparentemente, lontano da noi. Un fenomeno che ha questa capacità di causare accelerazione è la gravità. Un'ipotesi potrebbe essere che le galassie lontane siano catturate in un campo gravitazionale al di fuori del nostro universo conosciuto. Ciò collocherebbe il nostro universo conosciuto all'interno, in mancanza di una parola migliore, di una "bolla" all'interno di questa influenza gravitazionale che lo fa espandere in tutte le direzioni.

Ovviamente questo cambierebbe l'idea di una teoria del big bang, non nei suoi effetti ma nelle sue origini. È difficile immaginare che l'intero universo sia stipato in un unico punto, per quanto instabile possa essere. Tuttavia si potrebbe immaginare che venga all'esistenza, in mancanza di una parola migliore, "schizzata" in un vuoto all'interno di un'esistenza esterna di un meta-universo. Questo elimina anche la necessità di energia oscura poiché una volta pensavamo di aver bisogno dell'etere per trasportare le onde radio.

Karl Popper dice che qualsiasi ipotesi/teoria/ecc deve essere falsificabile. Quanto sopra è certamente una di quelle cose. Deve solo essere dimostrato non falsificabile, possibilmente, con la fisica non ancora nota.


Energia oscura

Mi chiedevo se qualcuno sa molto sulla materia oscura e sull'energia oscura. C'è comunque che possiamo rilevarlo? Ed è possibile che entrambi viaggino più velocemente della velocità della luce? Grazie per qualsiasi aiuto.

Consiglierei la serie Cosmology di Isaac Arthur su YouTube, ha fatto episodi sulla materia oscura e sull'energia oscura. Ha un paio di anni, ma per quanto ne so non ci sono stati grandi sviluppi in quel periodo.

Ha un canale così fantastico. Uno su un milione

Quell'uomo è in anticipo sui tempi

Secondo la nostra attuale comprensione della relatività speciale e generale (che è stata testata più volte e trovata essere coerente con le osservazioni), nulla con la massa può rompere la barriera della luce. Quindi la materia oscura, poiché ha massa, non può viaggiare più veloce della luce.

La materia oscura può attualmente essere rilevata dal suo effetto sugli oggetti visibili. Ad esempio, possiamo vedere il suo effetto sulla velocità delle stelle in orbita all'interno delle galassie. Nel caso delle galassie a spirale, la presenza di materia oscura mantiene la velocità orbitale delle stelle pressoché costante e indipendente dalla distanza dal centro, mentre le orbite kepleriane classiche prevedono che le velocità orbitali dovrebbero diminuire con la radice quadrata della distanza. Nelle galassie ellittiche, la dispersione della velocità delle stelle (la distribuzione delle velocità orbitali) non corrisponde alla dispersione della velocità prevista a meno che non includiamo qualche componente di massa invisibile.

In aggiunta a ciò, gli studi sulla lente gravitazionale degli ammassi di galassie dimostrano che la massa presente è molto maggiore della massa visibile di stelle e galassie.

Infine, le anisotropie nel fondo cosmico a microonde (in particolare, il loro spettro di potenza angolare) non possono essere spiegate a meno che non ci sia una grande quantità di materia che non interagisce elettromagneticamente (come la normale materia barionica) ma interagisce gravitazionalmente.

Attualmente sono in corso numerosi esperimenti di rilevamento diretto della materia oscura: i dettagli variano, ma coinvolgono tutti apparati a sfondo estremamente basso, altamente sensibili e di grande volume.

Per quanto riguarda l'energia oscura, attualmente è molto più un mistero della materia oscura. Sta causando un'accelerazione dell'espansione dell'Universo anziché un rallentamento, come ci si aspetterebbe visti gli effetti della gravità. Ci sono alcune ipotesi contrastanti su cosa potrebbe essere, ma sono necessari più dati.

È possibile che non possiamo osservare direttamente la materia o l'energia oscura in quanto potrebbe esistere oltre le dimensioni del nostro universo osservabile.

Ci sono teorie che ipotizzano che la materia oscura e l'energia potrebbero essere l'intreccio del multiverso con il nostro che si interseca con vari altri universi. Potremmo essere in grado di osservare indirettamente le forze e gli effetti della materia/energia oscura, ma potrebbe rimanere un'incognita poiché è fondamentalmente uno pseudonimo per massa di cui non possiamo dare conto.

Mi chiedevo se qualcuno sa molto sulla materia oscura e sull'energia oscura.

Lol nessuno sa molto di nessuna di queste cose. Non interagiscono praticamente con nulla, inclusa la luce (da cui la parte oscura) e pensiamo che l'energia oscura potrebbe avere qualcosa a che fare con l'accelerazione o il rallentamento dell'espansione dell'universo. Non sono certo un esperto in alcun modo, ma questi sono davvero alcuni dei più grandi misteri scientifici in questo momento. Sono sicuro che qualcun altro ha molte più intuizioni di me però

Non sappiamo davvero cosa sia la materia oscura o l'energia oscura o se esistano. Sappiamo che l'energia oscura (se è reale) spiega l'espansione dell'Universo.

Il concetto di materia oscura è stato creato quando i calcoli della rotazione delle galassie non hanno superato le osservazioni (grafico). Spieghiamo questa differenza con la materia oscura

Questa tendenza per la velocità di rotazione osservata è la stessa per ciascuna galassia o leggermente diversa per ciascuna. Se è diverso, quanta parte della deviazione è spiegabile considerando che la distribuzione di massa non è lineare con il raggio, o sembra affatto correlata per quella materia. Lo chiedo perché a prima vista sembra che la fluidodinamica computazionale possa essere utilizzata per spiegare almeno una parte della deviazione, se non tutta.

Modifica: come se potessi assegnare a qualsiasi galassia una "viscosità caratteristica" che spiegherebbe la deviazione per l'orbita di Keplar, che potrebbe essere come un caso di viscosità tipica. EG L'acqua di agitazione produce un calo molto prevedibile della velocità radiale di agitazione in funzione della distanza dall'agitatore. Tuttavia per una soluzione più viscosa queste previsioni diventano sempre più errate soprattutto per fluidi non newtoniani.

Se formalizzo in un altro modo: avevamo una teoria che faceva previsioni su come dovrebbero essere le rotazioni delle galassie. Le osservazioni non corrispondevano a queste previsioni. Quindi, invece di dire che la nostra teoria è sbagliata, lo spieghiamo con un'ipotetica materia oscura ed energia oscura?

Se è solo questo, mi sembra di osservare che il comportamento delle particelle ad alta energia non corrisponde alla Meccanica Newtoniana e dire: "Hmm. un'energia oscura li sta spingendo ad andare più veloci" .

Questo avrebbe impedito di arrivare alla relatività. Ho sbagliato ?

Da quello che so (minimo) compone la "materia" che tutti conosciamo e amiamo

Il 5% di tutto, circa il 20% è materia oscura, il resto è energia oscura. Non possiamo misurare direttamente la materia oscura perché interagisce con la materia normale solo molto, molto leggermente. I nostri strumenti attuali non sono abbastanza sensibili da captarlo. Tuttavia, sappiamo che è lì perché è consentito e spiega la rotazione e il movimento delle galassie (molta, molta massa che interagisce con ancora più materia oscura, anche se solo leggermente, per produrre un cambiamento notevole che possiamo misurare indirettamente) .

Brian Cox fa un buon lavoro nel riassumerlo nel suo podcast JRE (collegato). Per quanto riguarda la tua domanda sulla velocità della luce, niente con la massa può mai viaggiare più veloce di essa. A meno che non scopriamo qualcosa in futuro che rompe tutto ciò che sappiamo, niente può andare più veloce della luce. Ma forse l'energia oscura sarà la cosa che infrange questa regola. Abbiamo bisogno di una teoria unificante della fisica su cui le persone stanno lavorando, ma non dobbiamo ancora saperlo con certezza.

Alle persone che stavano discutendo sul fatto che il DM sia effettivamente importante o un difetto nella nostra teoria della gravità, volevo rispondere ai tuoi commenti prima che venissero cancellati. Ecco la mia risposta e spero che aiuti anche a rispondere a parte della domanda dell'OP.

Come veri scienziati dovremmo chiederci "quali sono le credenziali per certe affermazioni vere?" Per questo usiamo le statistiche bayesiane. Da un lato abbiamo la possibilità che (1) DM sia un qualche tipo di particella non rilevata. Dall'altro, (2) DM è il risultato del tentativo di applicare GR al di fuori del suo dominio di applicabilità. cioè abbiamo bisogno di una migliore teoria della gravità per spiegare le nostre misurazioni. Ora chiediamo quali sono le nostre credenziali precedenti per (1) e (2)? Sono incline a dare più peso a (1) perché la storia della scoperta di nuove particelle ha avuto molto successo e meno a (2) perché ho sentito che i tentativi di nuove teorie della gravità sono molto complicati e fanno fatica a spiegarne altri misurazioni. I valori esatti per i priori che diamo a (1) e (2) non sono importanti quanto il modo in cui aggiorniamo le nostre credenziali con nuove prove. Ogni test di GR di successo diminuisce quindi la mia credibilità in (2) e aumenta la mia credibilità in (1). Allo stesso modo, più a lungo andiamo senza rilevare nuove particelle candidate al DM, più la mia credibilità in (1) diminuirà e la mia credibilità in (2) aumenterà. Dal momento che non cerchiamo particelle candidate DM da molto tempo e dal momento che ci sono state così tante previsioni accurate da GR, la mia credibilità per (1) è ancora più alta di quella per (2). In quanto tale, penso che sia più probabile che il DM sia materia reale (particelle), non un difetto della teoria gravitazionale.

È così che dovremmo guardare il mondo.

Per adottare il tatto opposto, Einstein formulò la Relatività Generale per spiegare i numerosi difetti ai margini che la meccanica newtoniana non poteva. A quel tempo le leggi di Newton erano altrettanto in pietra essendo state circa 200 o giù di lì. GR ora è 100 e abbiamo imparato di più nei 100 di quanto abbiamo imparato nei 200 precedenti, quindi non dovrebbe sorprendere che stiamo iniziando a vedere lo stesso tipo di logoramento.

Penso che la teoria "è solo un'altra particella", dopo 40 anni, è destinata a unirsi all'etere super luminoso. Ciò è particolarmente vero per una particella che, per ragioni inspiegabili, si presenta solo su scale galattiche. Dove è veramente la fonte del 90% della materia nell'universo che dovrebbe valere all'interno del sistema solare. Non ci sono prove per ulteriore materia oscura nel movimento dei pianeti nel sistema solare, o nel comportamento delle stelle binarie vicine, e questo dovrebbe essere un'enorme bandiera rossa.

Quantised Inertia sembra fare il trucco, ma ha alcune affermazioni fantastiche. D'altra parte, anche la relatività è agli occhi di uno scienziato del 19° secolo. Far saltare in aria una città con un pezzo di metallo di 5 libbre? Veramente? QI elimina il principio di equivalenza, ma se segui il grafico di cosa lo sostituisce con noterai che quasi sempre la massa inerziale e la massa gravitazionale sono effettivamente le stesse. Divergono solo ad accelerazioni molto basse, come ai margini della galassia. Il modello non è perfettamente sincronizzato con le osservazioni, ma il margine di errore sembra mappare direttamente il margine di errore per la costante di Hubble - e ottenere quella costante corretta è fondamentale per la teoria di McCullogh, proprio come ottenere la velocità della luce corretta è cruciale per le formule della relatività.

Leggendo la panoramica sembra giusto, ma dobbiamo testare quelle previsioni prima di dargli credito.

Qualunque teoria esca, deve essere completamente d'accordo con la Relatività e quindi spiegare le anomalie. Lo stesso era richiesto alla Relatività contro le leggi di Newton, e il motivo per cui usiamo ancora le leggi di Newton oggi - è raro per noi lavorare con uno dei casi esoterici d'angolo in cui la Relatività è più accurata di succede - mi vengono in mente i satelliti GPS). Come ho detto prima, questo è un compito molto arduo. Così alto che è comprensibile che molti si siano allontanati da esso e siano usciti alla ricerca di una nuova particella.

Il problema con questo approccio è che puoi cercare una particella per centinaia di anni e ancora non trovarla se non esiste.


Perché l'energia oscura fa accelerare l'universo?

Peter Coles ha lanciato una sfida: spiegare perché l'energia oscura fa accelerare l'universo in termini comprensibili ai non scienziati. Questo è un mio piccolo cruccio — un numero qualsiasi di colleghi cosmologi ricorderà che ne parlo con loro davanti a un caffè durante le conferenze — ma non sono sicuro di aver mai scritto direttamente su un blog, quindi ecco qui. In tre parti: il modo sbagliato, il modo giusto e la matematica.

La strada sbagliata

La materia ordinaria agisce per rallentare l'espansione dell'universo. Questo ha un senso intuitivo, perché la materia sta esercitando una forza gravitazionale, agendo per mettere insieme le cose. Allora perché l'energia oscura sembra allontanare le cose?

Il solito modo (sbagliato) di spiegare questo è far notare che l'energia oscura ha una "pressione negativa". Il tipo di pressione che ci è più familiare, in un pallone o in un pneumatico gonfiato, spingendo fuori la membrana che lo racchiude . Ma la pressione negativa — tensione — è più simile a una corda tesa o a un elastico, che tira dentro piuttosto che spingersi fuori. E l'energia oscura ha una pressione negativa, quindi questo fa accelerare l'universo.

Se il gentile cosmologo è sia pigro che fortunato, quel po' di insalata di parole sarà sufficiente. Ma non ha alcun senso, come sottolinea Peter. Perché facciamo tutto lo sforzo concettuale di spiegare che la pressione negativa corrisponde a un'attrazione, e poi borbottiamo rapidamente che questo spiega perché le galassie vengono allontanate?

Quindi il cosmologo leggermente più attento deve spiegare che il diretto l'azione di questa pressione negativa è del tutto impotente, perché è uguale in tutte le direzioni e si annulla. (Anche questo è un po' una bugia, ovviamente è proprio perché non interagisci direttamente con l'energia oscura, quindi non senti alcuna pressione, ma ammetterlo corre il rischio di farcela tutto sembra ancora più confuso.) Ciò che conta, secondo questa linea di discorsi veloci, è il is gravitazionale effetto della pressione negativa. E nella relatività generale di Einstein, a differenza della gravità newtoniana, sia la pressione che l'energia contribuiscono alla forza di gravità. La pressione negativa associata all'energia oscura è così grande che supera l'impulso positivo (attrattivo) dell'energia stessa, quindi l'effetto netto è una spinta piuttosto che una trazione.

Questa spiegazione non è sbagliata, ma tiene traccia delle equazioni effettive. Ma non è il minimo aiuto per portare le persone a una vera comprensione. Sostituisce semplicemente una domanda (perché l'energia oscura causa l'accelerazione?) con due fatti che devono essere presi sulla fede (l'energia oscura ha una pressione negativa e la gravità è generata da una somma di energia e pressione). L'ascoltatore se ne va, nel migliore dei casi, con l'impressione che sia appena successo qualcosa di profondo piuttosto che una reale comprensione.

Il modo giusto

Il modo giusto è non menzionare affatto la pressione, positiva o negativa. Per le dinamiche cosmologiche, il fatto rilevante sull'energia oscura non è la sua pressione, è che è 8217 persistente. Non si dissolve man mano che l'universo si espande. E questo è anche un fatto che può essere spiegato, dicendo che l'energia oscura non è un insieme di particelle che diventano meno dense man mano che lo spazio si espande, ma è invece (secondo i nostri modelli più semplici e migliori) una caratteristica dello spazio stesso. La quantità di energia oscura è costante sia nello spazio che nel tempo: circa un centomilionesimo di erg per centimetro cubo. Non si diluisce, anche se lo spazio si espande.

Detto questo, tutto ciò che devi accettare è che la formulazione della gravità di Einstein dice "la curvatura dello spaziotempo è proporzionale alla quantità di cose al suo interno". Tensore di Einstein, e la versione tecnica di “cose” è il tensore energia-impulso.) Nel caso di un universo in espansione, la manifestazione della curvatura dello spaziotempo è semplicemente il fatto che lo spazio si sta espandendo. (Ci può essere anche una curvatura spaziale, ma sembra trascurabile nel mondo reale, quindi perché complicare le cose.)

Quindi: la densità dell'energia oscura è costante, il che significa che la curvatura dello spaziotempo è costante, il che significa che l'universo si espande a una velocità fissa.

La parte difficile è spiegare perché “espandersi a un ritmo fisso” significa “accelerare.” Ma questa è una sottigliezza che vale la pena chiarire, poiché aiuta a distinguere tra l'espansione dell'universo e la velocità di un oggetto fisico come un macchina in movimento, e forse aiuterà qualcuno lungo la strada a non confondersi sul fatto che l'universo "si espande più velocemente della luce".

Il punto è che il tasso di espansione dell'universo è non una velocità. È 8217 una scala temporale, ovvero il tempo necessario all'universo per raddoppiare le sue dimensioni (o espandersi dell'uno percento o qualsiasi altra cosa, a seconda delle convenzioni). Non potrebbe essere una velocità, perché la velocità apparente di galassie lontane non è un numero costante, è proporzionale alla loro distanza. Quando diciamo “il tasso di espansione dell'universo è una costante,” intendiamo che ci vuole una quantità fissa di tempo prima che l'universo raddoppi le sue dimensioni. Quindi, se osserviamo una galassia in particolare, tra circa dieci miliardi di anni sarà il doppio di distanza in venti miliardi di anni (il doppio) sarà quattro volte più lontana in trenta miliardi di anni sarà otto volte più lontana via, e così via. Sta accelerando lontano da noi, in modo esponenziale. “Velocità di espansione costante” implica “moto accelerato lontano da noi” per i singoli oggetti.

Non c'è assolutamente alcun motivo per cui un non scienziato non dovrebbe essere in grado di seguire il motivo per cui l'energia oscura fa accelerare l'universo, dato solo un po' di volontà di pensarci. L'energia oscura è persistente, che impartisce un impulso costante all'espansione dell'universo, che fa accelerare le galassie. Niente pressioni negative, niente chiacchiere.

Allora perché le persone sono tentate di parlare di pressione negativa? Come dice Peter, c'è un'equazione per la seconda derivata (approssimativamente, l'accelerazione) dell'universo, che assomiglia a questa:

(Io uso un per il fattore di scala piuttosto che R, e sensatamente impostato c=1.) Qui, ρ è la densità di energia e p è la pressione. Per ottenere l'accelerazione, vuoi che la seconda derivata sia positiva e c'è un segno meno fuori dal lato destro, quindi vogliamo (ρ + 3p) essere negativo. I dati dicono che la densità dell'energia oscura è positiva, quindi una pressione negativa è solo il trucco.

Ma, sebbene questa sia un'equazione perfettamente buona — la “seconda equazione di Friedmann” —, non è quella che nessuno usa effettivamente per risolvere l'evoluzione dell'universo. È molto più bello usare il primo Equazione di Friedmann, che coinvolge la prima derivata del fattore di scala piuttosto che la sua seconda derivata (curvatura spaziale impostata a zero per comodità):

Qui H è il parametro Hubble, che è ciò che intendiamo quando diciamo "il tasso di espansione". Si notano un paio di cose carine su questa equazione. Primo, la pressione non appare. Il tasso di espansione è semplicemente guidato dalla densità di energia ρ. È completamente coerente con la prima equazione, poiché sono collegati tra loro da un'equazione che codifica la conservazione dell'energia-impulso, e la pressione fa la sua comparsa lì. In secondo luogo, una densità di energia costante implica semplicemente un tasso di espansione costante H. Quindi nessun problema: una fonte di energia persistente fa accelerare l'universo.

Bandire la "pressione negativa" dalle esposizioni popolari di cosmologia sarebbe un grande passo avanti. È un concetto scientifico legittimo, ma è più spesso impiegato per dare l'illusione della comprensione piuttosto che una reale intuizione.


Energia Oscura nel Tempo

Questo post continua l'argomento di energia oscura, che, come discusso nel mio post precedente, è una misteriosa forma di energia che costituisce circa il 68 per cento della massa dell'Universo ed è la ragione per cui l'Universo si sta espandendo a una velocità sempre maggiore. Questo post discuterà come la percentuale di energia oscura cambia nel tempo e come questo ha influenzato e influenzerà l'evoluzione dell'intero Universo.

Questo post è il quarto della mia serie sulla cosmologia, lo studio dell'origine e dell'evoluzione dell'Universo nel suo insieme. Per visualizzare gli altri, fare clic sulla categoria “Cosmologia” alla fine di questo post.

L'influenza dell'energia oscura nell'Universo primordiale

Come accennato nel mio post precedente, i cosmologi hanno stimato che la quantità di energia oscura nell'Universo è di circa 0,0069 trilionesimi di grammo per chilometro cubo di spazio, circa 150 miliardi di volte più piccolo di un piccolo granello di sabbia. Sebbene questa quantità sia incredibilmente piccola, è ancora considerevolmente maggiore della densità media della materia. La spiegazione più ampiamente accettata dell'energia oscura, la costante cosmologica, significa che la quantità di energia oscura in un dato volume di spazio rimane costante nel tempo.

L'espansione dell'Universo è mostrata nel diagramma sopra, in cui l'asse x mostra il tempo. Illustra che, in un lontano passato, le galassie erano molto più vicine di quanto lo siano ora.

Infatti, se torniamo indietro nel tempo di circa 7 miliardi di anni, allora, in media, la distanza tra le galassie era circa la metà di quella che è oggi.

Come mostrato nel diagramma sopra, quando le galassie erano due volte più vicine, lo stesso numero di galassie occupava un volume otto volte più piccolo. la densità della materia (che è uguale alla massa divisa per il volume) era quindi otto volte superiore. Tuttavia, la densità dell'energia oscura era esattamente la stessa di adesso. Questo è mostrato nella prima e terza colonna della tabella e nel grafico a torta sottostante.

Le percentuali di materia oscura, energia oscura e materia ordinaria nell'Universo quando aveva sette miliardi di anni.

Se viaggiamo sempre più indietro nel tempo, la densità della materia ordinaria e della materia oscura diventa progressivamente sempre più alta, perché la stessa quantità di materia si trova in uno spazio sempre più piccolo. Tuttavia, poiché la densità dell'energia oscura è costante, è percentualecontributo alla massa totale dell'Universo diventa sempre più piccolo. Quando l'Universo era un decimo della sua dimensione attuale, l'energia oscura costituiva solo lo 0,2% della massa totale dell'Universo ea volte prima il suo contributo era insignificante. È quindi chiaro che, sebbene ora domini l'Universo, l'energia oscura era completamente irrilevante nell'Universo primordiale e non ha avuto alcun ruolo nella sua espansione iniziale. L'attuale spiegazione più ampiamente accettata dell'espansione iniziale dell'Universo è che, nella prima microscopica frazione di secondo dopo la nascita dell'Universo, ha subito un'espansione incredibilmente rapida chiamata inflazione. Dopo che questa prima frazione di secondo è passata, l'inflazione si è spenta e da allora l'Universo si è espanso. I dettagli esatti di questo processo non sono ancora completamente compresi.

TIl diagramma sopra mostra come l'Universo si espande nel tempo. L'Universo si espande rapidamente dopo il big bang, ma per tutto il tempo la sua espansione è rallentata dalla gravità (A). Circa 7 miliardi di anni fa, è ancora in espansione ma il suo tasso di espansione è al minimo (B). Dopo questo tempo l'energia oscura domina l'Universo e la sua espansione accelera (C).

Energia oscura nel futuro

Man mano che l'Universo si espande e le galassie si allontanano sempre di più l'una dall'altra, la densità della materia ordinaria continuerà a diminuire. In circa 10 miliardi di anni l'Universo si sarà espanso in modo che la distanza tra le galassie sarà circa il doppio di quella attuale. Ciò significa che poiché avremo la stessa quantità di materia in uno spazio otto volte più grande di quello che è oggi, la densità della materia sarà all'incirca di un ottavo.

Poiché la quantità di energia oscura in un dato volume di spazio rimane la stessa mentre l'Universo si espande, costituirà una proporzione ancora maggiore della massa totale dell'Universo di quanto non faccia ora. Questo è mostrato nel grafico a torta qui sotto.

Mentre l'Universo continua ad evolversi ed espandersi, il contributo dell'energia oscura che accelera la sua espansione continuerà a diventare sempre più grande. Infatti, tra circa 30 miliardi di anni, quando la distanza media tra le galassie è circa 10 volte il suo valore attuale, sarà composta per il 99,95% di energia oscura.

Dirò di più sul destino ultimo dell'Universo in un post futuro. Man mano che andiamo avanti nel tempo fino a circa 100 miliardi di anni da oggi, circa 7 volte più lunga dell'età dell'Universo, la distanza tra la nostra galassia e le altre galassie sarà così grande che la luce proveniente da esse non sarà in grado di raggiungere noi (vedi note). Se ci sono astronomi nella nostra galassia in questo momento, quando guardano fuori con i loro telescopi, invece di vedere centinaia di miliardi di galassie nell'universo osservabile come fanno oggi, vedranno solo una singola grande galassia, la nostra.

Il mio prossimo post riguarderà la materia oscura, la misteriosa sostanza che costituisce circa un quarto dell'Universo, ma di cui sappiamo davvero poco.

Articoli correlati

Questo post è il quarto della mia serie sulla cosmologia. Gli altri post sono:

(1) L'universo passato, presente e futuro. Questo descrive cosa si intende per Universo e fornisce una panoramica delle sue origini, prove della sua espansione e discute il suo destino finale. Per vedere questo post, clicca qui.

(2) Una breve storia dell'Universo. Questo dà una storia dell'Universo da subito dopo il big bang fino alla data attuale. Per vedere questo post, clicca qui.

3) Energia Oscura. Questo post fornisce le ragioni per cui il cosmologo crede che l'energia oscura esista e perché costituisce quasi il 70% della massa dell'Universo. Per vedere questo post, clicca qui.

A rigor di termini, non tutte le galassie si stanno allontanando da noi. La nostra galassia, la Via Lattea, e la sua vicina, la galassia di Andromeda, insieme a un certo numero di piccole galassie satellite, formano un gruppo di galassie chiamato Gruppo Locale. Le galassie del gruppo locale sono legate insieme dalla forza di gravità, quindi non si allontaneranno l'una dall'altra man mano che l'Universo si espande.

Tuttavia, la Via Lattea e la galassia di Andromeda sono in rotta di collisione. La galassia di Andromeda si sta avvicinando alla Via Lattea a 400.000 km/he si scontreranno tra circa 5 miliardi di anni per formare una galassia gigante. Quindi tra circa cento miliardi di anni il nostro Universo osservabile sarà costituito da un'unica galassia.


Commenti

25 agosto 2015 alle 11:12

Articolo interessante. L'energia oscura è la forza repulsiva dietro la continua espansione dell'universo. È energia nello spazio vuoto? No. È "quintessenza" (qualunque cosa significhi) che non deve essere costante? Ciò che è vero è questo: l'energia oscura non deve essere costante. Il tasso di accelerazione dell'universo può plausibilmente cambiare (accelerare o rallentare). Ciò che è sbagliato in entrambe le ipotesi è molto: l'energia oscura non è affatto una forza che opera DALL'INTERNO del cosmo. Piuttosto, l'energia oscura è una forza esterna all'universo fisico, ma che agisce su di esso. Non ci sono particelle di camaleonte. Continuate così, ragazzi, ma non abbiate paura di pensare fuori dagli schemi. La frase "al di fuori dell'universo fisico" ha un senso empirico? Sì.

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Consideriamo quattro corpi, ciascuno di massa M, agli angoli di un quadrato, con lati di lunghezza R. Raddoppia la distanza tra tutti, quindi i lati sono ora 2R. Quanta energia ci vuole? Circa 3,41 GM^2/R joule. Ora fai il calcolo con due corpi, ciascuno di massa 2M, a una distanza sqrt(2)R l'uno dall'altro, in modo che la massa e la densità totali siano le stesse. Raddoppia la distanza, come prima. Quanta energia ci vuole? Circa 2,83 GM^2/R j.

Mentre la massa, la densità e l'espansione sono le stesse in entrambi i casi, quest'ultimo richiede meno energia. Rappresenta uno stato "più ingombrante", come l'invecchiamento dell'universo. Quando le stelle si formano e le galassie si scontrano, la stessa espansione richiede meno energia. Pensa ad andare in bicicletta, ad avvicinarti alla cima di una collina: man mano che la pendenza si appiattisce, vai più veloce. L'universo sta crescendo, l'espansione più ingombrante richiede meno energia il grado è "appiattito". Ergo, ci si può aspettare un'accelerazione.

Attualmente il modello standard non prevede questo effetto “aggruppamento”. Dovrebbe. Come mostra il calcolo di cui sopra, R non importa la densità da sola non definisce il sistema.

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@Peter Wilson - quindi quel differenziale di energia tra gli stati di ingombro e non ingombro sarebbe l'energia oscura teorica?

Immagina se potessi sfruttarlo.

In realtà penso che si stia ponendo la domanda sbagliata, accelerata rispetto a cosa? Possiamo davvero vedere solo la nostra piccola parte dell'universo, quindi è come definire il mondo intero dalla prospettiva di aver vissuto solo a Brooklyn.

Sono nato e cresciuto in Arizona, dove è MOLTO secco. La prima volta che ho visto il fiume Mississippi, la persona con cui ero stava spiegando come la gente fa l'autostop su e giù per il fiume tutto l'anno. Mi ci sono voluti diversi anni per riconciliarmi e capire quello che ho sentito, dato che all'epoca non aveva senso per me, voglio dire, cosa facevano gli autostoppisti in estate quando il fiume si prosciugava?

Alla fine mi sono reso conto che stavo facendo ipotesi basate su una visione del mondo limitata. Penso che sia anche qui che si trova questa scienza.

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L'effetto anti-gravità dell'Energia Oscura è davvero strano. Ma è vero per tutte e quattro le forze della natura che a livelli energetici inferiori, il tempo rallenta. Nel caso della gravità, i tuoi piedi invecchiano più lentamente della tua testa. Nel caso della forza elettromagnetica, un elettrone in un orbitale inferiore viaggia più lentamente nel tempo rispetto ai suoi fratelli orbitali alti di energia superiore. Anche i protoni e i neutroni negli orbitali inferiori viaggiano più lentamente nel tempo. È anche vero che quando gli oggetti si avvicinano alla velocità della luce, anche loro viaggiano più lentamente nel tempo (The Twin Paradox). Quindi forse il principio che unisce tutte e 4 le forze della natura e la forza dell'Energia Oscura è semplicemente che il tempo vuole rallentare. Ciò sarebbe coerente con l'idea che mentre il tempo rallenta meno accade e meno accade è la definizione di stabilità. Quindi un Universo che si sta espandendo a una velocità sempre crescente potrebbe semplicemente provare a viaggiare nel tempo più lentamente e, quindi, si sta muovendo verso uno stato energetico più stabile. Se non si possono trovare particelle o forze per spiegare altrimenti l'Energia Oscura, allora potremmo semplicemente dover attribuire lo strano comportamento dell'Energia Oscura a un effetto della Relatività che inizialmente è stato chiamato da Einstein una Teoria della Gravità.

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28 agosto 2015 alle 23:56

Pietro Wilson.A questo povero chimico sembra che tu ci abbia fatto una proposta semplice e geniale. Se ho capito quello che hai detto, non abbiamo bisogno di "energia oscura" per spiegare l'espansione accelerata del nostro Universo. Si spera che gli esperti di fisica lavoreranno sulla tua idea per vedere se si adatta a tutti i dati. Ma abbiamo ancora bisogno della materia oscura (giusto?) per spiegare il modo in cui ruotano le galassie (conservazione del momento angolare, ecc.)

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31 agosto 2015 alle 10:53

Caro Lindsay,
Grazie per il tuo commento. Sì, la materia oscura è necessaria, ma se consideriamo la "materia" fatta di protoni, neutroni ed elettroni, la materia oscura potrebbe non essere affatto "materia". Questo spiegherebbe perché non è rilevabile. Poiché c'è più materia oscura che materia nell'universo e la materia è composta da 3 quark, allora dovremmo supporre che se la materia oscura è stata prodotta nel Big Bang, sarebbe stato più facile per la materia oscura essere prodotta nel Big Bang che era "materia". Quindi credo che se la Materia Oscura è composta da un solo tipo di particella deve essere composta da uno o due quark. Se composto da un quark, dovrebbe essere un quark stabile ancora da scoprire se due quark, sarebbe un portatore di forza e poiché le particelle pesanti decadono in particelle più leggere, dovrebbe essere il più leggero dei portatori di forza. Infine potrebbe essere un serraglio di molti tipi di particelle sconosciute. I fisici delle particelle non sarebbero sorpresi se esistessero superfamiglie di particelle, infatti molti se lo aspettano e ora sono state rilevate particelle con più di 3 quark.

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31 agosto 2015 alle 12:50

Potremmo ancora aver bisogno di DE, ma il raggruppamento deve essere incluso, se non altro per escluderlo. La mia paura è che qualche mago della matematica nel dipartimento di fisica mi capisca, come hai fatto tu, inserisca R nelle equazioni del tensore di curvatura di Ricci, risolva il calcolo matriciale - molto sopra le mie teste - pubblichi i risultati ... e io leggerò a riguardo qui!


Espansione cosmica in discussione

I risultati forniscono anche una migliore comprensione di alcune recenti controversie sul tasso di espansione dell'universo odierno e sulla geometria dello spazio.

Combinare le nostre osservazioni con gli studi sull'universo nella sua infanzia rivela crepe nella nostra descrizione della sua evoluzione. In particolare, la nostra misurazione dell'attuale tasso di espansione dell'universo è inferiore di circa il 10% rispetto al valore trovato utilizzando metodi diretti di misurazione delle distanze delle galassie vicine. Entrambi questi metodi affermano che il loro risultato è corretto e molto preciso, quindi la loro differenza non può essere semplicemente un caso statistico.

L'espansione dell'universo nel tempo. Credito: NASA/WMAP Science Team/ Illustrazione di Dana Berry

La precisione di eBOSS rafforza questa crisi. Non esiste una spiegazione ampiamente accettata per questa discrepanza. Può essere che qualcuno abbia commesso un sottile errore in uno di questi studi. Oppure potrebbe essere un segno che abbiamo bisogno di una nuova fisica. Un'eccitante possibilità è che una forma di materia precedentemente sconosciuta proveniente dall'universo primordiale possa aver lasciato una traccia nella nostra storia. Questa è nota come "energia oscura precoce", che si pensava fosse presente quando l'universo era giovane, che potrebbe aver modificato il tasso di espansione cosmica.

Recenti studi sul fondo cosmico a microonde hanno suggerito che la geometria dello spazio potrebbe essere curva invece di essere semplicemente piatta, il che è coerente con la teoria più accettata del big bang. Ma il nostro studio ha concluso che lo spazio è davvero piatto.

Anche dopo questi importanti progressi, i cosmologi di tutto il mondo rimarranno perplessi dall'apparente semplicità dell'energia oscura, dalla piattezza dello spazio e dai controversi valori del tasso di espansione odierno. C'è solo un modo per andare avanti nella ricerca di risposte: creare mappe dell'universo più grandi e dettagliate. Diversi progetti mirano a misurare almeno dieci volte più galassie di quanto abbiamo fatto noi.

Se le mappe di eBOSS sono state le prime a esplorare un vuoto precedentemente mancante di 11 miliardi di anni della nostra storia, la nuova generazione di telescopi realizzerà una versione ad alta risoluzione dello stesso periodo di tempo. È emozionante pensare al fatto che futuri sondaggi potrebbero essere in grado di risolvere i restanti misteri sull'espansione dell'universo nel prossimo decennio circa. Ma sarebbe altrettanto eccitante se rivelassero più sorprese.

Scritto da Julian Bautista, ricercatore presso l'Università di Portsmouth.

Maggiori informazioni su SciTechDaily

La più grande mappa 3D dell'universo mai creata: gli astrofisici riempiono 11 miliardi di anni di storia di espansione del nostro universo

Gli astrofisici costruiscono la mappa 3D più completa dell'universo, colmano le lacune nella storia cosmologica

Gli astronomi usano nuovi dati per creare una straordinaria mappa della materia oscura

H0LiCOW! Le lenti d'ingrandimento cosmiche forniscono una misura indipendente dell'espansione dell'universo che si aggiunge a una preoccupante discrepanza

Costruire una mappa 3D dell'universo per scoprire i misteri dell'energia oscura

Importante soglia superata nel tasso di espansione del mistero dell'universo

La nuova mappa misura gli effetti dell'energia oscura nell'espansione dell'universo

Il WFIRST della NASA studierà l'energia oscura e aiuterà a scoprire il destino dell'universo [Video]

15 Commenti su "Energia oscura: la mappa fornisce indizi su cosa sia, ma approfondisce la disputa sul tasso di espansione cosmica"

Un altro modo per spiegare l'Energia Oscura è suggerito dalla Teoria delle Stringhe. Tutta la materia e l'energia, inclusi i fotoni (luce), hanno come base stringhe vibranti.

Si ipotizza che le coppie di stringhe e anti-stringhe vengano create nella schiuma quantistica, un campo di energia turbolento suggerito dalla meccanica quantistica, e si annichiliscano immediatamente a vicenda. Se la luce passa vicino a queste annichilazioni di stringa/anti-stringa, forse parte di quell'energia di annientamento viene assorbita dalla stringa nella luce. Quindi le linee di Fraunhofer in quella luce si sposteranno un po' verso il blu e lontano dallo spostamento verso il rosso. Mentre questo continua in un universo in espansione, otteniamo la stessa curva mostrata da Perlmutter e colleghi durante la loro conferenza per il Premio Nobel, senza la necessità dell'Energia Oscura.

Questa speculazione fa sì che l'universo si comporti in modo molto più diretto. Le specifiche possono essere trovate nel mio YouTube https://www.youtube.com/watch?v=0b6t0jO7IgQ

Immagina un flusso di energia oscura in rapido movimento diretto verso il sole. Quando la velocità del flusso e la gravità raggiungono uno zero G equivalente (si pensi al vomito cometa) la materia oscura lampeggia in energia oscura creando nano razzi. I brillamenti e l'espansione dell'energia oscura creerebbero bolle con l'interfaccia delineata nel plasma ionizzato.

“ Le interazioni di questi elettroni ultra-caldi e il vuoto creato quando il tubo implode porta al flusso di corrente elettrica. Il flusso di cariche elettriche è ciò che crea un campo magnetico. In questo caso, il flusso di corrente può amplificare un campo magnetico preesistente di due o tre ordini di grandezza, hanno scoperto i ricercatori».
https://www.space.com/megatesla-magnetic-fields-earth.html

L'energia oscura che esce dal punto debole assorbe il calore e ritorna alla materia oscura. Ciò causerebbe la pioggia coronale e in flussi più lunghi di energia oscura raffredderebbe le aree fino alla superficie del sole prima di riguadagnare calore sufficiente per tornare alla materia oscura.

Quando la materia oscura lascia bene la gravità galattica, lampeggia verso l'energia oscura emettendo calore/nanoflare. Questo lascia l'esterno dell'alone galattico più caldo del previsto e con più elettroni caldi/campi magnetici potenziati.

L'esistenza dell'energia del vuoto spiega dove si trovano le energie dello stato fondamentale dei campi quantistici. Sappiamo che esistono da effetti come l'effetto Casimir e lo spostamento di Lamb, quindi osservarlo su scala cosmologica è eccitante. Quello che mi piace di più del sondaggio eBOSS 20 anni è che la collaborazione BOSS nel loro documento di sintesi sulla cosmologia elenca alcune possibili spiegazioni per la bassa densità di energia del vuoto osservata, con il multiverso antropico di Weinberg come il più semplice. Ciò è coerente con il tipo di campo di inflazione che la collaborazione di Planck ha visto nel 2016, che si traduce naturalmente in un numero infinito di universi locali.

Una spiegazione interessante per la differenza tra le misurazioni per lo più locali della velocità di Hubble e quelle per lo più integrate come eBOSS è che la tensione può essere ugualmente spiegata da una tensione nella calibrazione della temperatura di fondo cosmica. “In conclusione, gli autori hanno dimostrato che la tensione di Hubble può essere espressa anche come tensione nella temperatura CMB T0. Potrebbe, quindi, essere risolto quando si assume un T0 più alto come prima per stimare H0 dai dati di Planck. Tuttavia, questa spiegazione sembra improbabile, poiché le misurazioni BAO supportano il valore T0 inferiore. Tuttavia, l'analisi ha mostrato che la soluzione alla tensione di Hubble potrebbe non essere un cambiamento nel modello cosmologico standard, ma piuttosto un attento esame delle ipotesi e dei priori che influenzano la misurazione di H0.” [“Is the Hubble Tension in realtà una tensione da temperatura?”, Linke, astrobisce il digest del lettore di astro-ph.]

L'esistenza dell'energia del vuoto spiega dove si trovano le energie dello stato fondamentale dei campi quantistici. Sappiamo che esistono da effetti come l'effetto Casimir e lo spostamento di Lamb, quindi osservarlo su scala cosmologica è eccitante. Quello che mi piace di più del sondaggio eBOSS 20 anni è che la collaborazione BOSS nel loro documento di sintesi sulla cosmologia elenca alcune possibili spiegazioni per la bassa densità di energia del vuoto osservata, con il multiverso antropico di Weinberg come il più semplice. Ciò è coerente con il tipo di campo di inflazione che la collaborazione di Planck ha visto nel 2016, che si traduce naturalmente in un numero infinito di universi locali.

Ci scusiamo per il commento duplicato e le difficoltà di pubblicazione.

@ Howard Jeffrey Bender: “Un altro modo per spiegare l'Energia Oscura è suggerito dalla Teoria delle Stringhe…. schiuma quantistica … il mio Youtube”.

Non ci sono prove di una “schiuma quantistica” e la teoria delle stringhe è stata per lo più respinta da LHC, ACME e Fermi-LAT – nessun WIMP termico naturale dalla teoria delle stringhe.

@Priyanka Garai: questo si collega a un sito di pseudoscienza.

È anche autopromozione.

@Ed Stauffer: “Immagina un flusso di energia oscura in rapido movimento”. Se l'energia oscura è a densità costante in ogni volume, non può “stream”.

Vorrei anche sottolineare che è facile vedere negli spettri cosmici di fondo che l'energia oscura, la materia oscura e la materia normale sono fenomeni completamente diversi e confrontandoli con altre loro osservazioni in tempi successivi che non possono interconvertire.

Questa tenace ricerca per trovare la spiegazione della costante cosmologica di Einstein (costantemente verificata sperimentalmente come costante) sta diventando psicotica. C'è una tale pressione riguardo alla costante di attrazione gravitazionale di Newton? O la velocità della luce? Saltare nella pazza idea nella speranza di trovare finalmente “LA SPIEGAZIONE” e ottenere il riconoscimento mondiale non sembra un modo corretto di procedere. Capire prima Perché questa è sicuramente una costante e nient'altro sembra più produttivo, ed è direttamente nella linea della prima idea di Einstein (esattamente l'opposto di Archimede, Newton e Maxwell). Dopo ci sarà molto spazio per la discussione.

“Questa tenace ricerca per trovare la spiegazione della costante cosmologica di Einstein (costantemente verificata sperimentalmente come costante) sta diventando psicotica. C'è una tale pressione riguardo alla costante di attrazione gravitazionale di Newton? O la velocità della luce?”

L'interesse dei cosmologi è che fino a poco tempo fa non sapevamo dell'energia del vuoto – è stata scoperta 20 anni fa – e sono solo pochi anni a costringerla a essere costante. È probabile che fino a quando non sarà risolta la tensione tra la tendenza per le osservazioni a bassa z (“local”) e ad alta z (“integrative”) del tasso di Hubble ci sarà ancora spazio per il dibattito. Ed è comprensibile in quanto tale, anche se è probabile che la spiegazione venga trovata, come sembra essere per la materia oscura (che è un argomento di studio più vecchio).

L'interesse è piuttosto, come ho già commentato, la spiegazione del basso valore dell'energia del vuoto, che notoriamente è 10^120 volte inferiore alle ingenue aspettative. Questo è analogo a come l'omogeneità e l'isotropia dello spazio siano 10^5 volte inferiori alle aspettative ingenue e può essere che entrambi gli apparenti aggiustamenti derivino dalla stessa fonte – il campo di inflazione.

Dalla collaborazione eBOSS nel loro ultimo documento riassuntivo di cosmologia:

“Con l'elevata precisione che si trova qui, l'accelerazione cosmica rimane più coerente con le previsioni di una costante cosmologica. Una deviazione dalla coerenza con una pura costante cosmologica forse avrebbe indicato l'energia oscura specifica e modelli di gravità modificati. Tuttavia, poiché molti di questi modelli hanno scelte di parametri che li rendono indistinguibili da ΛCDM, tutti questi modelli possono essere resi coerenti con le nostre osservazioni. Tuttavia, la consistenza osservata con ΛCDM piatto alla maggiore precisione di questo lavoro punta sempre più verso una soluzione pura costante cosmologica, ad esempio, come sarebbe prodotta da un'energia del vuoto regolata per avere un valore piccolo. Questa messa a punto rappresenta una difficoltà teorica senza alcuna risoluzione concordata e che potrebbe non essere risolvibile solo attraverso considerazioni di fisica fondamentale (Weinberg 1989 Brax & Valageas 2019). Questa difficoltà è stata sostanzialmente acuita dalle osservazioni qui presentate.”
[“L'INDAGINE SPETTROSCOPICA COMPLETATA SDSS-IV EXTENDED BARYON: IMPLICAZIONI COSMOLOGICHE DA DUE DECENNI DI INDAGINI SPETTROSCOPICHE PRESSO L'OSSERVATORIO APACHE POINT”, Collaborazione eBOSS, arxiv 2007.08991]

“È questo “principio antropico debole” che verrà applicato qui. La sua rilevanza deriva dal fatto che, in alcuni moderni modelli cosmologici, l'universo ha parti o ere in cui la costante cosmologica effettiva assume un'ampia varietà di valori.”

“In modelli di questo tipo, è perfettamente sensato applicare considerazioni antropiche per decidere in quale era o parte dell'universo potremmo abitare, e quindi quali valori della costante cosmologica potremmo osservare.

Una grande costante cosmologica interferirebbe con la comparsa della vita in modi diversi, a seconda del segno di lambda_eff. Per un grande positiUe lambda_eff, l'universo entra molto presto in una fase di de Sitter in espansione esponenziale, che poi dura per sempre. L'espansione esponenziale interferisce con la formazione di condensazioni gravitazionali, ma una volta che un ammasso di materia diventa legato gravitazionalmente, la sua successiva evoluzione non è influenzata dalla costante cosmologica. Ora, non sappiamo quali strane forme possa assumere la vita, ma è difficile immaginare che possa svilupparsi senza condensazioni gravitazionali da un universo inizialmente liscio. Pertanto il principio antropico fa una previsione piuttosto netta: lambda_eff deve essere sufficientemente piccolo da consentire la formazione di condensazioni gravitazionali sufficientemente grandi (Weinberg, 1987).

Questo è stato calcolato quantitativamente, ma possiamo facilmente comprendere il risultato principale senza calcoli dettagliati. … Questo risultato suggerisce fortemente che se è il principio antropico che spiega la piccolezza della costante cosmologica, allora ci aspetteremmo una densità di energia del vuoto p_V

(10—100)p_M_0, perché non c'è motivo antropico perché sia ​​più piccolo.”
[“Il problema della costante cosmologica”, Weinberg, Reviews of Modern Physics, 1989]

Dalla collaborazione di Planck nel loro ultimo documento riassuntivo di cosmologia:

“Combinando con i dati BICEP-Keck 2015 sulla polarizzazione B-mode troviamo un limite superiore del 95% sul rapporto tensore-scalare r_0.002 < 0.06. Insieme alla nostra misurazione di n_s , questi risultati favoriscono i potenziali di inflazione concavo su convesso, suggerendo una gerarchia tra i parametri di lenta rotazione che misurano la pendenza e la curvatura del potenziale"
["Risultati Planck 2018, VI. Parametri cosmologici", Collaborazione Planck, Astronomia e astrofisica]

Una descrizione del perché un campo di inflazione scalare ("slowroll") fornisce naturalmente un multiverso in cui possono essere applicate considerazioni antropiche (distorsione di selezione per la sopravvivenza):

"Se osserviamo come funziona fisicamente, possiamo visualizzare l'inflazione come un campo: una palla che si trova in cima a una collina. La collina deve essere particolarmente piatta in cima, in modo che la palla possa trascorrere molto tempo lassù. La palla rotola, inevitabilmente, verso la valle sottostante, ma deve rotolare lentamente: solo quando la palla si trova in cima alla parte piatta della collina può verificarsi l'inflazione. Quando la palla rotola giù nella valle, l'inflazione termina, dando origine a un Universo pieno di particelle, antiparticelle e radiazioni: inizia il caldo Big Bang.

Ancora una volta, finora, tutto bene. Abbiamo un universo, si gonfia, l'inflazione finisce, otteniamo il caldo Big Bang e tutti sono felici.

Finché non ricorderai un avvertimento importante che abbiamo ignorato finora: tutto ciò che esiste fisicamente, comprese tutte le particelle e i campi, deve essere intrinsecamente di natura quantistica."

"Immagina di essere in cima a questa collina e di rotolare lentamente verso la valle. Allo stesso tempo, la tua posizione ha una probabilità di allargarsi, e mentre c'è una possibilità finita che finirai più vicino alla valle di quanto avresti altrimenti, c'è anche una possibilità che finirai più su per la collina di quanto hai iniziato."

"Ciò con cui finiamo, quindi, è uno spaziotempo in cui, in qualsiasi momento, l'inflazione finisce in alcune regioni e otteniamo un caldo Big Bang dove avviene. Ognuna di queste regioni sarà circondata da uno spazio-tempo più ampio che continua a gonfiarsi, dove in ciascuna delle regioni di gonfiaggio, alcune piccole zone vedranno la fine dell'inflazione e ne seguirà un caldo Big Bang. Questi vari Big Bang caldi daranno origine ciascuno al proprio Universo osservabile, proprio come il nostro, con un punto di partenza diverso e condizioni iniziali specifiche diverse per ogni regione. Saranno separati da uno spazio più gonfiato e non ci saranno mai due universi che si scontreranno o interagiranno l'uno con l'altro.
È da qui che provengono i concetti di inflazione eterna, il multiverso e l'esistenza di molti universi disconnessi. Se accetti che l'inflazione è uno stadio che si è verificato nel passato dell'Universo prima del caldo Big Bang, e che l'Universo stesso è intrinsecamente di natura quantistica, l'esistenza di un multiverso è inevitabile."

["Un universo non basta", Siegel, Medium Siegel è un astrofisico che scrive spesso su Forbes.]

“Questo è analogo a come l'omogeneità e l'isotropia dello spazio sono 10^5 volte inferiori alle aspettative ingenue” – Questo è analogo a come le deviazioni dall'omogeneità e dall'isotropia dello spazio sono 10^5 volte inferiori alle aspettative ingenue.


L'Istituto per la ricerca sulla creazione

Gli astronomi hanno ipotizzato che ci siano forse fino a diecimila miliardi di trilioni di stelle nell'universo osservabile, di cui forse cinquemila possono essere viste senza un telescopio. Se l'universo si sta espandendo, come credono molti astronomi, c'è un limite esterno a questa vasta popolazione di stelle, come definito dalla distanza finora raggiunta dall'espansione. Questo limite potrebbe essere considerato il confine dell'universo.

Questo confine è anche, praticamente per definizione, il limite della cosiddetta radiazione di fondo, presumibilmente un residuo che riempie il cosmo del postulato Big Bang primordiale che i suoi sostenitori ritengono debba aver iniziato l'espansione.

Poiché non c'è radiazione oltre questo limite, non ci sono né stelle né luce e solo oscurità esterna, per quanto ne sappiamo. Ma anche entro Nel cosmo conosciuto, gli astronomi evoluzionisti sembrano sempre più ossessionati dall'idea dell'oscurità. Anche con l'enorme massa di quelle forse 10 25 stelle, questi teorici credono che ci siano ancora grandi quantità di certi misteriosi tipi di materia che non possono essere visti o misurati. Lo chiamano questo materia oscura, la cui influenza gravitazionale tiene in qualche modo insieme galassie e ammassi galattici.

La materia non osservabile nell'universo è maggiore di tutta la materia osservabile, 7,5 volte maggiore. Sorprendente!

Tuttavia, ciò lascia ancora circa il 66% delle "cose" dell'universo da tenere in considerazione oltre a questo! In particolare, ci sono forti prove ora che l'"espansione" dell'universo sta accelerando vicino ai suoi confini. Le influenze gravitazionali sembrano allontanarlo, e questo richiederebbe una sorta di tremenda energia la cui fonte e carattere sono sconosciuti. Quindi i cosmologi la chiamano semplicemente "energia oscura"!

A questo strano campo universale antigravitazionale è stato dato il nome di "quintessenza" da alcuni astronomi. Nessuno strumento è stato in grado di misurarlo, o addirittura registrarlo, ma credono che debba essere lì sulla base dell'intensità della luce proveniente da supernove molto lontane, che per loro suggerisce energia oscura.

Circa sei dimensioni extra (oltre a lunghezza, larghezza, profondità e tempo) sono state previste matematicamente nella teoria delle stringhe, ma anche questo è un concetto piuttosto illusorio per molti.

In ogni caso, l'immagine che ora occupa le menti di molti cosmologi evoluzionisti è quella di un universo immenso con moltitudini di stelle e altri oggetti in grande varietà, ma che in realtà comprendono solo una piccola parte della materia e dell'energia di un universo molto "oscuro".

E, poiché la legge dell'entropia è apparentemente di estensione universale, anche le stelle visibili finiranno per disintegrarsi nell'oscurità, o peggio.

La materia oscura, l'energia oscura e gli ultimi buchi neri ovunque suonano certamente inquietanti e se vero. E questo è solo l'universo conosciuto! E l'oscurità al di fuori di questo?

È bene ricordare che gran parte della cosmologia moderna, specialmente quando i suoi praticanti stanno cercando di predire il suo destino e retrocedere la sua origine, è pura manipolazione matematica e immaginazione filosofica evolutiva. "Non è necessariamente così!"

Ma ciò è significativo che queste speculazioni portino così spesso a parole come "oscurità" e "oscurità". Anche questi sono termini biblici.

Parlando di quegli insegnanti e leader che avrebbero promosso dottrine anti-bibliche di Dio e della Sua grande salvezza attraverso il Signore Gesù Cristo, l'apostolo Pietro avvertì che "questi". . . parlano male delle cose che non capiscono. . . a cui è riservata per sempre la bruma delle tenebre" (II Pietro 2:12,17).

Allo stesso modo Giuda li paragona a "stelle erranti, a cui è riservata per sempre l'oscurità delle tenebre" (Giuda 13).

Il Signore Gesù stesso si riferiva all'"oscurità esterna" come alla dimora definitiva dei perduti. Nella sua familiare parabola dei talenti, il giudizio sul servo la cui infruttuosità aveva dimostrato che non era un vero servo doveva "buttare il servo inutile nelle tenebre di fuori: là sarà pianto e stridore di denti" (Matteo 25:30 vedi anche Matteo 8:12 22:13).

Questa dimora definitiva dei perduti è anche chiamata "thell", naturalmente, e il Signore la chiamò "lago che arde di fuoco e zolfo" (Apocalisse 21:8), il mare di "fuoco eterno, preparato per il diavolo e i suoi angeli" (Matteo 25:41).

Per quanto riguarda la posizione di questo lago infuocato, sappiamo solo che non è sulla terra. La " bestia" e il "falso profeta" saranno spediti nel lago di fuoco prima la disintegrazione della terra attuale (Apocalisse 19:20 20:11), e tutti i non salvati non prima dopo quell'evento (Apocalisse 20:15). La nuova terra sarà una "dove dimorerà la giustizia" (II Pietro 3:13). L'ovvia deduzione di tutto ciò è che l'inferno sarà un vasto lago di fuoco da qualche parte lontano nell'"oscurità esterna" dell'universo creato, forse in una nebulosa oscura, o anche in un buco nero.

Il fuoco sarà reale e facilmente in grado di distruggere i corpi, ma non può annientare gli spiriti. Tutti gli uomini e le donne sono stati creati a immagine di Dio e Dio è eterno. Egli è il Creatore, non il de-Creatore, e "tutto ciò che Dio fa, sarà per sempre" (Ecclesiaste 3:14). L'oscurità esteriore sarà "a mondo di iniquità. . . dato alle fiamme dell'inferno" (Giacomo 3:6), dove tutte le vestigia di bontà, amore e luce sono scomparse per sempre. Non c'è da stupirsi che Gesù abbia esortato gli uomini a "Temerlo", il che . . . ha il potere di gettare all'inferno" (Luca 12:5).

Anche l'universo creato da Dio è eterno con tutta la sua moltitudine di stelle, e il lago di fuoco occuperà solo una piccola, probabilmente remota, regione in confronto.

E tutti coloro che sono salvati, coloro che credono alla Sua parola e hanno ricevuto la Sua grande salvezza mediante la fede in Cristo, vivranno e Lo loderanno per sempre.

Sebbene molti abbiano scelto la via che conduce alle tenebre esteriori, ci saranno anche molti che vivranno per sempre nella Città Santa sulla nuova terra. "E non ci sarà notte là. . . poiché il Signore Dio dà loro la luce" (Apocalisse 22:5).


Il mistero dell'energia oscura

"L'energia oscura non è solo terribilmente importante per l'astronomia, è il problema centrale per la fisica. È stato l'osso nella nostra gola per molto tempo Steven Weinberg, Premio Nobel, Università del Texas ad Austin.

Più di tre anni nella sua ricerca per risolvere la natura dell'energia oscura e illuminare l'origine, l'evoluzione e il destino del nostro universo, il progetto Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX) rimane sulla buona strada per completare la più grande mappa del cosmo mai.

HEDTEX, un progetto degli scienziati della Penn State University, mira a creare una mappa tridimensionale di 2,5 milioni di galassie che fornirà preziose informazioni sul puzzle bizantino del motivo per cui l'espansione dell'universo sta accelerando nel tempo, una proprietà attribuita al così -chiamata energia oscura.

Ma prima di tutto, cos'è esattamente l'energia oscura?

Energia oscura in un universo in espansione

L'universo osservabile è costituito da tre componenti noti: materia normale, materia oscura ed energia oscura. L'energia oscura è la più abbondante con il 68%, con l'energia oscura che costituisce un altro 27% dell'universo mentre la materia ordinaria costituisce solo il 5%.

Oggi, c'è consenso tra gli astronomi che l'universo in cui abitiamo si sta espandendo nonostante la presenza della gravità, e che la sua espansione stia accelerando, dando origine alla nozione di una forza repulsiva che gli astronomi hanno soprannominato "energia oscura", sebbene il il concetto esiste da poco più di 20 anni. In genere, astronomi e astrofisici assegnano il prefisso ‘dark’ a concetti di cui hanno poca o nessuna idea.

L'energia oscura è il nome dato alla forza misteriosa che sta causando l'accelerazione del tasso di espansione del nostro universo, piuttosto che rallentare e spegnersi in un Big Crunch man mano che invecchia. Questo è il contrario di quello che ci si potrebbe aspettare da un universo che è nato da un evento come il Big Bang.

Nel 1917, quando Albert Einstein elaborò la teoria della relatività generale che gettò le basi del Big Bang e dell'universo nel suo insieme, lui e la maggior parte dei principali scienziati erano convinti che il cosmo fosse statico e non in espansione. Einstein introdusse la Costante Cosmologica per aiutare a spiegare perché l'universo non stava collassando sotto la forza attrattiva della gravità.

È stato solo 12 anni dopo che Edwin Hubble ha scoperto che l'universo si sta effettivamente espandendo, con le galassie più lontane dal nostro pianeta che si allontanano più velocemente di quelle più vicine. Il modello di un universo statico fu infine abbandonato, costringendo Einstein a modificare rapidamente le sue teorie ea proporre due nuovi modelli distinti dell'universo in espansione, entrambi senza la costante cosmologica, appena un anno dopo.

Tuttavia, sarebbero trascorsi decenni - per la precisione nel 1998 - prima che gli astronomi scoprissero che l'universo era dominato dall'energia oscura e non dalla materia normale come si pensava in precedenza.

Risolvere l'energia oscura

Più di due decenni dopo la scoperta dell'energia oscura, gli astronomi rimangono all'oscuro di cosa si tratti.

Tuttavia, sono state avanzate diverse teorie per tentare di spiegare l'energia oscura.

Ironia della sorte, la costante cosmologica precedentemente abbandonata da Einstein è una delle prime, che i fisici moderni descrivono come energia del vuoto.

Il vuoto in fisica non è uno stato di niente. È un luogo in cui particelle e antiparticelle vengono continuamente create e distrutte. L'energia prodotta in questo ciclo perpetuo potrebbe esercitare una forza di spinta verso l'esterno sullo spazio stesso, facendo sì che la sua espansione, iniziata nel big bang, acceleri,”, dice Donghui Jeong, professore associato di astronomia e astrofisica della Penn State University.

Ma ecco il problema con il concetto di energia del vuoto: i calcoli teorici dell'energia del vuoto divergono dalle osservazioni effettive di un fattore fino a diecimila.

Chiaramente si tratta di un'enorme discrepanza che potrebbe richiedere una rielaborazione della teoria attuale.

Un'altra possibilità: la teoria della gravità di Einstein è sbagliata fin dall'inizio, quindi porta a conclusioni errate.

Tuttavia, la costante cosmologica sotto forma di energia del vuoto rimane il candidato principale che spiega l'energia oscura.

L'ambizione di HETDEX

Ovviamente, mappare 2,5 milioni di galassie non è un'impresa da poco e richiede un po' di olio di gomito. Ciò non è reso più facile dal fatto che mentre altri studi comparabili misurano l'espansione dell'universo utilizzando supernovae distanti o un fenomeno noto come lente gravitazionale, HETDEX si concentra sulle onde sonore del big bang, chiamate oscillazioni acustiche barioniche.

Fortunatamente, HETDEX ha ottenuto oltre 40 milioni di dollari di finanziamenti e un set di oltre 150 spettrografi chiamati VIRUS (Visible Integral-Field Replicable Unit Spectrographs), che raccoglie la luce da galassie lontane in una matrice di circa 35.000 fibre ottiche dove viene suddivisa nelle sue lunghezze d'onda componenti.

Un altro vantaggio: HETDEX è la prima sonda a provare a fare un sacco di spettroscopia e poi a capire cosa vedranno osservando ampie aree di cielo invece di oggetti specifici e predeterminati, il che significa che finiranno per raccogliere una quantità folle di dati. Chissà, quel tesoro potrebbe fornire intuizioni inaspettate che potrebbero aiutare l'umanità nella sua ricerca per colonizzare l'universo.


Chiedi a Ethan: da dove viene l'"energia" per l'energia oscura?

Più lontano guardiamo, più vicino nel tempo ci avviciniamo al Big Bang. L'ultimo . [+] il detentore del record per i quasar proviene da un'epoca in cui l'Universo aveva solo 690 milioni di anni. Queste sonde cosmologiche ultra-distanti ci mostrano anche un Universo che contiene materia oscura ed energia oscura, ma non spiega da dove provenga.

Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

Se hai un universo pieno di cose, che siano atomi, materia oscura, radiazioni, neutrini o qualsiasi altra cosa, è praticamente impossibile mantenerlo statico. Il tessuto del vostro Universo, almeno nella Relatività Generale, deve espandersi o contrarsi su scale più grandi. Ma se hai un Universo pieno di energia oscura, come sembra che abbiamo, accade qualcosa di ancora più preoccupante: la quantità totale di energia contenuta nel nostro Universo osservabile aumenta nel tempo, senza fine in vista. Questo non viola la conservazione dell'energia? Questo è ciò che David Ventura vuole sapere, mentre chiede:

[T] l'energia totale dell'universo sta aumentando in modo tale che l'energia inerente allo spazio-tempo è mantenuta costante mentre l'universo si espande. È come se per costruire un chilometro cubo in più di spazio-tempo hai bisogno di questi quanti di energia. Né più né meno. Questa energia deve venire da qualche parte. In tutto il resto che conosco, l'energia (compresa la materia via E = mc 2 ), non può apparire dal nulla. Quindi qualcosa deve dare energia al nostro universo per farlo espandere. [. ] Si fermerà mai?

L'effettiva verità scientifica di ciò che sta accadendo è molto più preoccupante di quanto si possa immaginare.

I destini previsti dell'Universo (primi tre illustrazioni) corrispondono tutti a un Universo in cui il . [+] materia ed energia lottano contro il tasso di espansione iniziale. Nel nostro Universo osservato, un'accelerazione cosmica è causata da un qualche tipo di energia oscura, finora inspiegabile. Tutti questi Universi sono governati dalle equazioni di Friedmann, che mettono in relazione l'espansione dell'Universo con i vari tipi di materia ed energia presenti al suo interno.

E. Siegel / Oltre la Galassia

Nel nostro Universo fisico, ci sono due cose che sono indissolubilmente legate tra loro: il tasso di espansione dell'Universo e la rottura di tutti i diversi tipi di energia presenti al suo interno. La regola cardinale della Relatività Generale è che la materia dice allo spazio come curvarsi, mentre lo spazio curvo dice alla materia come muoversi. Questo è vero, ma non è completo. Non è solo la materia, ma anche l'energia che influenza la curvatura dello spazio, e non è semplicemente la curvatura, ma anche il tasso di espansione (o contrazione) dello spazio che ne viene influenzato. In particolare, è la densità di energia che determina il tasso di espansione.

Ma ci sono diverse forme di energia nell'Universo, e ognuna gioca un ruolo leggermente diverso nel modo in cui il tasso di espansione cambia nel tempo.

Mentre la materia e la radiazione diventano meno dense man mano che l'Universo si espande a causa del suo volume crescente, . [+] l'energia oscura è una forma di energia inerente allo spazio stesso. Man mano che il nuovo spazio viene creato nell'Universo in espansione, la densità dell'energia oscura rimane costante.

E. Siegel / Oltre la Galassia

Per qualcosa come la materia normale, i suoi contributi energetici sono in realtà intuitivi. La materia è fatta di particelle che contengono massa, e anche se l'Universo cambia, le singole particelle rimangono le stesse. Nel tempo, il volume dell'Universo aumenta e, mentre lo fa, la densità totale della materia diminuisce. La densità è la massa sul volume: la massa rimane la stessa, il volume aumenta e quindi la densità diminuisce. Se tutto ciò che avessimo nell'Universo fosse materia, il tasso di espansione diminuirebbe al diminuire della densità della materia.

Man mano che il tessuto dell'Universo si espande, le lunghezze d'onda di qualsiasi radiazione presente si allungano come . [+] bene. Ciò fa sì che l'Universo diventi meno energetico e rende impossibili molti processi ad alta energia che si verificano spontaneamente nei primi tempi in epoche successive più fredde.

E. Siegel / Oltre la Galassia

Per le radiazioni, c'è un componente in più. Certo, anche la radiazione è fatta di particelle, e man mano che il volume si espande, la densità numerica di quelle particelle diminuisce proprio come avviene per la materia. Ma la radiazione ha una lunghezza d'onda, e quella lunghezza d'onda viene allungata dall'Universo in espansione. Lunghezze d'onda più lunghe significano energie più basse, e quindi il tasso di espansione scende più velocemente in un Universo pieno di radiazioni che in uno pieno di materia.

Ma per un Universo pieno di energia oscura, la storia è molto diversa. L'energia oscura è causata dall'energia inerente al tessuto dello spazio stesso, e mentre l'Universo si espande, è la densità di energia – l'energia per unità di volume – che rimane costante. Di conseguenza, un Universo pieno di energia oscura vedrà il suo tasso di espansione rimanere costante, piuttosto che diminuire del tutto.

Vari componenti e contributori alla densità energetica dell'Universo e quando potrebbero . [+] dominare. Se le stringhe cosmiche oi muri di dominio esistessero in quantità apprezzabile, contribuirebbero in modo significativo all'espansione dell'Universo. Potrebbero anche esserci componenti aggiuntivi che non vediamo più o che non sono ancora apparsi! Nota che quando arriviamo oggi, l'energia oscura domina, la materia è ancora in qualche modo importante, ma la radiazione è trascurabile. In un passato molto lontano, solo le radiazioni erano importanti.

E. Siegel / Oltre la Galassia

"Aspetta", potresti obiettare, pensando, "Pensavo avessi detto che l'espansione dell'Universo stava accelerando?"

C'è un punto molto importante qui che non viene enfatizzato abbastanza: ci sono due cose diverse di cui parlano gli scienziati quando si tratta dell'espansione dell'Universo. Uno è il tasso di espansione, o tasso di Hubble, dell'Universo. Questo si comporta esattamente come abbiamo descritto sopra: scende per la materia, scende più velocemente per le radiazioni e asintota a una costante positiva per l'energia oscura. Ma la seconda cosa è la velocità con cui una singola galassia sembra allontanarsi da noi nel tempo.

Un'illustrazione di come funzionano i redshift nell'Universo in espansione. Come una galassia diventa sempre di più. [+] distante, deve percorrere una distanza maggiore e per un tempo maggiore attraverso l'Universo in espansione. In un Universo dominato dall'energia oscura, ciò significa che le singole galassie sembreranno accelerare nella loro recessione da noi.

Larry McNish del RASC Calgary Center, via http://calgary.rasc.ca/redshift.htm

Col passare del tempo, una galassia si allontana sempre più da noi. Poiché il tasso di espansione è una velocità per unità di distanza (ad es. 70 km/s/Mpc), una galassia più lontana (diciamo 100 Mpc contro 10 Mpc) sembrerà recedere a una velocità maggiore (7.000 km /s contro 700 km/s). Se il tuo Universo è pieno di materia o radiazioni, il tasso di espansione diminuisce più velocemente dell'aumento della distanza della tua galassia, quindi la velocità di recessione netta diminuirà nel tempo: il tuo Universo decelererà. Se il tuo Universo è dominato dall'energia oscura, tuttavia, la velocità di recessione netta aumenterà nel tempo: il tuo Universo sta accelerando.

Il nostro Universo, oggi, è composto da circa il 68% di energia oscura. A partire da circa 6 miliardi di anni fa, il nostro Universo ha fatto il passaggio all'accelerazione dalla decelerazione, in base all'equilibrio di tutte le diverse cose al suo interno.

L'importanza relativa dei diversi componenti energetici nell'Universo in vari momenti del passato.. [+] Nota che quando l'energia oscura raggiunge un numero vicino al 100% in futuro, la densità energetica dell'Universo (e, quindi, il tasso di espansione) rimarrà arbitrariamente costante molto avanti nel tempo.

Ma come va bene? Sembra che un universo pieno di energia oscura non conservi energia. Se la densità di energia - energia per unità di volume - rimane costante, ma il volume dell'Universo sta aumentando, non significa che la quantità totale di energia nell'Universo sta aumentando? E questo non viola la conservazione dell'energia?

Questo dovrebbe darti fastidio! Dopotutto, pensiamo che l'energia dovrebbe essere conservata in tutti i processi fisici che avvengono nell'Universo. La Relatività Generale offre una possibile violazione del risparmio energetico?

Se avessi uno spaziotempo statico che non cambia, il risparmio energetico sarebbe garantito. Ma se . [+] il tessuto dello spazio cambia man mano che gli oggetti che ti interessano si muovono attraverso di essi, non c'è più una legge di conservazione dell'energia secondo le leggi della Relatività Generale.

David Champion, Istituto Max Planck per la radioastronomia

La risposta spaventosa è forse, in realtà. Ci sono molte quantità che la Relatività Generale fa un lavoro eccellente e preciso nel definire, e l'energia non è una di queste. In altre parole, non c'è alcun mandato che l'energia debba essere conservata dalle equazioni di Einstein l'"energia" globale non è affatto definita dalla Relatività Generale! In effetti, possiamo fare un'affermazione molto generale su quando l'energia è e non è conservata. Quando hai particelle che interagiscono in uno sfondo statico dello spaziotempo, l'energia è veramente conservata. Ma quando lo spazio attraverso il quale si muovono le particelle cambia, l'energia totale di quelle particelle non si conserva. Questo è vero per i fotoni che si spostano verso il rosso in un Universo in espansione, ed è vero per un Universo dominato dall'energia oscura.

Ma quella risposta, sebbene tecnicamente corretta, non è la fine della storia. Possiamo trovare una nuova definizione di energia quando lo spazio sta cambiando, ma dobbiamo stare attenti quando lo facciamo.

C'è un modo molto intelligente di vedere “l'energia” che ci permette di mostrare, infatti, che l'energia si conserva anche in questa situazione apparentemente paradossale. Voglio che ricordiate che, oltre alle energie chimiche, elettriche, termiche, cinetiche e potenziali, tra le altre, c'è anche il lavoro. Il lavoro, in fisica, è quando applichi una forza a un oggetto nella stessa direzione della distanza per cui si sposta, questo aggiunge energia al sistema. Se la direzione è opposta, fai un lavoro negativo questo sottrae energia al sistema.

Quando singole molecole o atomi si muovono all'interno di un contenitore chiuso, esercitano una pressione verso l'esterno su . [+] le pareti del contenitore. Man mano che riscaldi il gas, le molecole si muovono più velocemente e la pressione aumenta. (Utente Wikimedia Commons Greg L (A. Greg))

Una buona analogia è pensare al gas. Cosa succede se riscaldi (aggiungi energia a) quel gas? Le molecole all'interno si muovono più velocemente man mano che acquisiscono energia, il che significa che aumentano la loro velocità e si espandono per occupare più spazio più rapidamente.

Ma cosa succede, invece, se si scalda del gas racchiuso in un contenitore?

Sì, le molecole si riscaldano, si muovono più velocemente e cercano di espandersi, ma in questo caso spesso vanno a sbattere contro le pareti del contenitore, creando una pressione positiva extra sulle pareti. Le pareti del contenitore vengono spinte verso l'esterno, il che costa energia: le molecole ci lavorano!

Gli effetti dell'aumento della temperatura di un gas all'interno di un contenitore. La pressione esterna può . [+] determina un aumento di volume, dove le molecole interne lavorano sulle pareti del contenitore.

Il blog scientifico di Ben Borland (Benny B's)

Questo è molto, molto simile a ciò che accade nell'Universo in espansione. Se il tuo Universo fosse pieno di radiazioni (fotoni), ogni quanto avrebbe un'energia, data da una lunghezza d'onda, e man mano che l'Universo si espande, quella lunghezza d'onda del fotone si allunga. Certo, i fotoni stanno perdendo energia, ma c'è del lavoro svolto sull'Universo stesso da tutto ciò che ha una pressione al suo interno!

Al contrario, se il tuo Universo fosse pieno di energia oscura, non avrebbe solo una densità di energia, ma anche una pressione. La grande differenza, tuttavia, è che la pressione dell'energia oscura è negativa, il che significa che abbiamo la situazione opposta a quella delle radiazioni. Man mano che le pareti del contenitore si espandono, lavorano sul tessuto dello spazio stesso!

Convenzionalmente, siamo abituati alle cose che si espandono perché c'è una pressione positiva (esterna) in arrivo. [+] da dentro di loro. La cosa controintuitiva dell'energia oscura è che ha una pressione del segno opposto, ma fa comunque espandere il tessuto dello spazio.

"Divertimento con l'astronomia" di Mae e Ira Freeman

Allora da dove viene l'energia per l'energia oscura? Deriva dal lavoro negativo svolto sull'espansione dell'Universo stesso. C'era un articolo scritto nel 1992 da Carroll, Press e Turner, che trattava esattamente questo problema. In esso si afferma:

…il cerotto fa un lavoro negativo su ciò che lo circonda, perché ha una pressione negativa. Supponendo che il cerotto si espanda adiabaticamente, si può equiparare questo lavoro negativo all'aumento di massa/energia del cerotto. Si recupera così la corretta equazione di stato per l'energia oscura: P = – c 2 . Quindi la matematica è coerente.

Il che, ancora una volta, non significa che l'energia sia conservata. Ci dà semplicemente un modo intelligente di guardare a questo problema.

C'è un'ampia serie di prove scientifiche che supportano l'immagine dell'Universo in espansione. [+] e il Big Bang, con tanto di energia oscura. L'espansione accelerata tardiva non conserva rigorosamente l'energia, ma anche il ragionamento alla base è affascinante.

Questa è una delle domande cosmologiche più profonde che abbia mai posto per Ask Ethan. I due principali takeaway sono i seguenti:

  1. Quando le particelle interagiscono in uno spaziotempo immutabile, l'energia deve essere conservata. Quando lo spaziotempo in cui si trovano cambia, quella legge di conservazione non vale più.
  2. Se ridefinisci l'energia per includere il lavoro svolto, sia positivo che negativo, da un pezzo di spazio sui suoi dintorni, puoi risparmiare la conservazione dell'energia in un Universo in espansione. Questo è vero sia per le quantità a pressione positiva (come i fotoni) che per quelle a pressione negativa (come l'energia oscura).

Ma questa ridefinizione non è robusta, è semplicemente una ridefinizione matematica che possiamo usare per forzare la conservazione dell'energia. La verità è che l'energia non si conserva in un Universo in espansione. Forse in una teoria quantistica della gravità, lo sarà. Ma in Relatività Generale, non abbiamo affatto un buon modo per definirlo.


Supponendo che il modello standard della cosmologia sia corretto, le migliori misurazioni della corrente indicano che l'energia oscura contribuisce al 68% dell'energia totale nell'attuale universo osservabile.

L'energia di massa della materia oscura e ordinaria (barionico) la materia contribuisce rispettivamente per il 27% e il 5%, e altri componenti come neutrini e fotoni contribuiscono in quantità molto piccola.

La densità dell'energia oscura è molto bassa (

7 × 10-30 g/cm3) molto inferiore alla densità della materia ordinaria o della materia oscura all'interno delle galassie. Tuttavia, domina l'energia di massa dell'universo perché è uniforme nello spazio.

Due forme proposte per l'energia oscura sono la costante cosmologica, che rappresenta una densità di energia costante che riempie lo spazio in modo omogeneo, e campi scalari come la quintessenza oi moduli, quantità dinamiche la cui densità di energia può variare nel tempo e nello spazio.

I contributi dei campi scalari che sono costanti nello spazio sono generalmente inclusi anche nella costante cosmologica. La costante cosmologica può essere formulata per essere equivalente alla radiazione di punto zero dello spazio, ad es. l'energia del vuoto.

I campi scalari che cambiano nello spazio possono essere difficili da distinguere da una costante cosmologica perché il cambiamento può essere estremamente lento.

La costante cosmologica di Einstein

Il “costante cosmologica” è un termine costante che può essere aggiunto all'equazione di campo della relatività generale di Einstein.

Se considerato come un “termine di origine” nell'equazione di campo, può essere visto come equivalente alla massa dello spazio vuoto (che concettualmente potrebbe essere positivo o negativo), o “energia del vuoto“.

La costante cosmologica fu proposta per la prima volta da Einstein come meccanismo per ottenere una soluzione dell'equazione del campo gravitazionale che avrebbe portato a un universo statico, utilizzando efficacemente l'energia oscura per bilanciare la gravità.

Einstein diede alla costante cosmologica il simbolo Λ (capitale lambda). Einstein affermò che la costante cosmologica richiedeva che "lo spazio vuoto assuma il ruolo di gravitare masse negative che sono distribuite in tutto lo spazio interstellare".

Il meccanismo era un esempio di messa a punto, e in seguito ci si rese conto che l'universo statico di Einstein non sarebbe stato stabile: le disomogeneità locali alla fine avrebbero portato all'espansione o alla contrazione incontrollata dell'universo.

L'equilibrio è instabile: se l'universo si espande leggermente, l'espansione rilascia energia del vuoto, che provoca un'ulteriore espansione.

Allo stesso modo, un universo che si contrae leggermente continuerà a contrarsi. Questi tipi di disturbi sono inevitabili, a causa della distribuzione non uniforme della materia nell'universo.

Inoltre, le osservazioni fatte da Edwin Hubble nel 1929 hanno mostrato che l'universo sembra in espansione e non è affatto statico. Secondo quanto riferito, Einstein si riferiva alla sua incapacità di prevedere l'idea di un universo dinamico, in contrasto con un universo statico, come il suo più grande errore.

Energia oscura inflazionistica

Alan Guth e Alexei Starobinsky hanno proposto nel 1980 che un campo di pressione negativa, simile nel concetto all'energia oscura, potrebbe guidare l'inflazione cosmica nell'universo primordiale.

L'inflazione postula che una qualche forza repulsiva, qualitativamente simile all'energia oscura, abbia provocato un enorme e espansione esponenziale dell'universo poco dopo il Big Bang. Tale espansione è una caratteristica essenziale della maggior parte dei modelli attuali del Big Bang.

Tuttavia, l'inflazione deve essersi verificata a una densità di energia molto più elevata rispetto all'energia oscura che osserviamo oggi e si pensa che sia completamente terminata quando l'universo aveva solo una frazione di secondo.

Non è chiaro quale relazione esista tra energia oscura e inflazione. Anche dopo l'accettazione dei modelli inflazionistici, si pensava che la costante cosmologica fosse irrilevante per l'universo attuale.

Quasi tutti i modelli di inflazione prevedono che il totale (materia+energia) la densità dell'universo dovrebbe essere molto vicina alla densità critica.

Durante gli anni '80, la maggior parte della ricerca cosmologica si è concentrata su modelli con densità critica solo nella materia, di solito il 95% di materia oscura fredda e il 5% di materia ordinaria.

Questi modelli si sono rivelati efficaci nel formare galassie e ammassi realistici, ma alla fine degli anni '80 sono comparsi alcuni problemi: in particolare, il modello richiedeva un valore per la costante di Hubble inferiore a quello preferito dalle osservazioni e il modello non prevedeva osservazioni di grandi dimensioni. cluster di galassie su scala.

Queste difficoltà sono diventate più forti dopo la scoperta dell'anisotropia nel fondo cosmico a microonde da parte della sonda spaziale COBE nel 1992, e diversi modelli CDM modificati sono stati oggetto di studio attivo fino alla metà degli anni '90: questi includevano il modello Lambda-CDM e un buio misto freddo/caldo modello di materia.

La prima prova diretta dell'energia oscura è venuta dalle osservazioni di supernova nel 1998 di espansione accelerata in Riess et al. e in Perlmutter et al., e il modello Lambda-CDM divenne poi il modello principale.

Poco dopo, l'energia oscura è stata supportata da osservazioni indipendenti: nel 2000, gli esperimenti di fondo cosmico a microonde BOOMERanG e Maxima hanno osservato il primo picco acustico nel CMB, dimostrando che il totale (materia+energia) la densità è prossima al 100% della densità critica.

Poi, nel 2001, il 2dF Galaxy Redshift Survey ha dato una forte evidenza che la densità della materia è circa il 30% di quella critica. La grande differenza tra questi due supporta una componente uniforme di energia oscura che costituisce la differenza.

Le misurazioni molto più precise da WMAP nel 2003-2010 hanno continuato a supportare il modello standard e a fornire misurazioni più accurate dei parametri chiave.

Il termine “energia oscura“, facendo eco a Fritz Zwicky’s “materia oscura” degli anni '30, è stato coniato da Michael Turner nel 1998.

Natura

La natura dell'energia oscura è più ipotetica di quella della materia oscura, e molte cose su di essa rimangono nel regno della speculazione.

Si pensa che l'energia oscura sia molto omogenea e non molto densa e non si sa che interagisca attraverso nessuna delle forze fondamentali diverse dalla gravità. Dal momento che è piuttosto rarefatto e non massiccio - circa 10-27 kg/m3 - è improbabile che sia rilevabile in esperimenti di laboratorio.

La ragione per cui l'energia oscura può avere un effetto così profondo sull'universo, costituendo il 68% della densità universale nonostante sia così diluita, è che riempie uniformemente lo spazio altrimenti vuoto.

Indipendentemente dalla sua reale natura, l'energia oscura dovrebbe avere una forte pressione negativa (azione ripugnante), come la pressione di radiazione in un metamateriale, per spiegare l'accelerazione osservata dell'espansione dell'universo.

Secondo la relatività generale, la pressione all'interno di una sostanza contribuisce alla sua attrazione gravitazionale per altri oggetti proprio come fa la sua densità di massa.

Questo accade perché la grandezza fisica che fa sì che la materia generi effetti gravitazionali è il tensore stress-energia, che contiene sia l'energia (o importa) densità di una sostanza e sua pressione e viscosità.

Nel Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker metrica, si può dimostrare che una forte pressione negativa costante in tutto l'universo provoca un'accelerazione nell'espansione se l'universo è già in espansione, o una decelerazione in contrazione se l'universo è già in contrazione. Questo effetto di espansione accelerata è talvolta etichettato come “repulsione gravitazionale“.

Prova dell'esistenza

L'evidenza dell'energia oscura è indiretta ma proviene da tre fonti indipendenti:

  • Le misurazioni della distanza e la loro relazione con il redshift, che suggeriscono che l'universo si è espanso di più nell'ultima metà della sua vita.
  • La necessità teorica di un tipo di energia aggiuntiva che non abbia importanza o materia oscura per formare l'universo osservativamente piatto (assenza di qualsiasi curvatura globale rilevabile).
  • Misure di modelli d'onda su larga scala della densità di massa nell'universo.

Implicazioni per il destino dell'universo

I cosmologi stimano che l'accelerazione sia iniziata circa 5 miliardi di anni fa. Prima si pensava che l'espansione stesse rallentando, a causa dell'influenza attrattiva della materia.

La densità della materia oscura in un universo in espansione diminuisce più rapidamente dell'energia oscura e, alla fine, l'energia oscura domina.

Nello specifico, quando il volume dell'universo raddoppia, la densità della materia oscura si dimezza, ma la densità dell'energia oscura rimane pressoché invariata (è esattamente costante nel caso di una costante cosmologica).

Le proiezioni nel futuro possono differire radicalmente per i diversi modelli di energia oscura. Per una costante cosmologica, o qualsiasi altro modello che predice che l'accelerazione continuerà indefinitamente, il risultato finale sarà che le galassie al di fuori del Gruppo Locale avranno una velocità in linea di vista che aumenta continuamente con il tempo, eventualmente superando di gran lunga la velocità di leggero.

Questa non è una violazione della relatività speciale perché la nozione di “velocità” qui usato è diverso da quello della velocità in un sistema di riferimento inerziale locale, che è ancora vincolato ad essere inferiore alla velocità della luce per qualsiasi oggetto massiccio.

Poiché il parametro Hubble sta diminuendo con il tempo, possono effettivamente esserci casi in cui una galassia che si sta allontanando da noi più velocemente della luce riesce a emettere un segnale che alla fine ci raggiunge.

Tuttavia, a causa dell'accelerazione dell'espansione, si prevede che la maggior parte delle galassie alla fine attraverserà un tipo di orizzonte degli eventi cosmologici in cui la luce che emettono oltre quel punto non sarà mai in grado di raggiungerci in qualsiasi momento nell'infinito futuro perché la luce non raggiunge mai un punto in cui è “velocità peculiare” verso di noi supera la velocità di espansione lontano da noi (queste due nozioni di velocità sono discusse anche in Usi della distanza corretta).

Supponendo che l'energia oscura sia costante (una costante cosmologica), l'attuale distanza da questo orizzonte degli eventi cosmologici è di circa 16 miliardi di anni luce, il che significa che un segnale proveniente da un evento che sta accadendo nel presente potrebbe alla fine raggiungerci in futuro se l'evento fosse a meno di 16 miliardi di anni luce di distanza, ma il segnale non ci raggiungerebbe mai se l'evento fosse maggiore di 16 miliardi di anni luce di distanza.

Man mano che le galassie si avvicinano al punto di attraversare questo orizzonte degli eventi cosmologici, la luce proveniente da esse diventerà sempre più spostata verso il rosso, al punto in cui la lunghezza d'onda diventa troppo grande per essere rilevata in pratica e le galassie sembrano svanire completamente.

Il pianeta Terra, la Via Lattea e il Gruppo Locale di cui la Via Lattea fa parte rimarrebbero virtualmente indisturbati mentre il resto dell'universo si allontana e scompare dalla vista.

In questo scenario, il Gruppo Locale alla fine soffrirebbe di morte per calore, proprio come era stato ipotizzato per l'universo piatto e dominato dalla materia prima delle misurazioni dell'accelerazione cosmica.

Ci sono altre idee più speculative sul futuro dell'universo. Il modello di energia fantasma dell'energia oscura si traduce in un'espansione divergente, il che implicherebbe che la forza effettiva dell'energia oscura continua a crescere finché non domina tutte le altre forze nell'universo.

In questo scenario, l'energia oscura alla fine farebbe a pezzi tutte le strutture legate alla gravità, comprese le galassie e i sistemi solari, e alla fine supererebbe le forze elettriche e nucleari per fare a pezzi gli atomi stessi, ponendo fine all'universo in un “Grande strappo“.

D'altra parte, l'energia oscura potrebbe dissiparsi con il tempo o addirittura diventare attraente. Tali incertezze lasciano aperta la possibilità che la gravità possa ancora dominare il giorno e portare a un universo che si contrae su se stesso in un “grande scricchiolio“, o che potrebbe esserci anche un ciclo di energia oscura, che implica un modello ciclico dell'universo in cui ogni iterazione (Big Bang poi alla fine un Big Crunch) impiega circa un trilione (1012) anni. Sebbene nessuno di questi sia supportato da osservazioni, non sono escluse.

Nella filosofia della scienza

Nella filosofia della scienza, l'energia oscura è un esempio di un “ipotesi ausiliaria“, un postulato ad hoc che si aggiunge a una teoria in risposta a osservazioni che la falsificano.

È stato sostenuto che il ipotesi sull'energia oscura è un'ipotesi convenzionalista, cioè un'ipotesi che non aggiunge alcun contenuto empirico e quindi non è falsificabile nel senso definito da Karl Popper.


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