ขจัดพลังงานมืด

นักจักรวาลวิทยาบางคนหวังว่าจะอธิบายการขยายตัวที่เร็วขึ้นของเอกภพโดยพิจารณาถึงความเป็นก้อนของเอกภพโดยสมบูรณ์ โดยไม่ต้องใช้พลังงานมืดอันลึกลับ

นักวิจัยเหล่านี้โต้แย้งว่ากระจุกของสสารสามารถเปลี่ยนแปลงวิธีที่เอกภพขยายตัว เมื่ออิทธิพลของกระจุกนั้นรวมกันเป็นแนวกว้างของจักรวาล นั่นเป็นเพราะว่า ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป การขยายตัวของพื้นที่แต่ละแห่งของอวกาศนั้นขึ้นอยู่กับปริมาณสสารที่อยู่ภายใน ช่องว่างขยายตัวเร็วกว่าค่าเฉลี่ย พื้นที่หนาแน่นขยายตัวช้ากว่า เนื่องจากเอกภพประกอบด้วยช่องว่างเป็นส่วนใหญ่ ผลกระทบนี้อาจก่อให้เกิดการขยายตัวโดยรวมและอาจมีการเร่งความเร็ว แนวคิดนี้รู้จักกันในนามปฏิกิริยาย้อนกลับ (backreaction) แนวคิดนี้ยังคงอยู่ในมุมที่คลุมเครือของแผนกฟิสิกส์มานานหลายทศวรรษ แม้ว่าจะมีหลายคนอ้างว่าผลกระทบของปฏิกิริยาย้อนกลับนั้นน้อยหรือไม่มีเลย

ปฏิกิริยาย้อนกลับยังคงดึงดูดนักวิจัยบางคนต่อไป 

เพราะพวกเขาไม่ต้องประดิษฐ์กฎฟิสิกส์ใหม่เพื่ออธิบายการเร่งความเร็วของจักรวาล “ถ้ามีทางเลือกอื่นที่มีพื้นฐานมาจากฟิสิกส์ดั้งเดิม จะทิ้งมันทิ้งไปทำไม” มาตาเรเซ่ถาม อย่างไรก็ตาม นักจักรวาลวิทยาส่วนใหญ่คิดว่าการอธิบายพลังงานมืดโดยอาศัยก้อนมวลของจักรวาลนั้นไม่น่าจะเป็นไปได้ การคำนวณก่อนหน้านี้ระบุว่าผลกระทบใดๆ จะน้อยเกินไปที่จะอธิบายพลังงานมืด และจะทำให้เกิดความเร่งที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาในลักษณะที่ไม่เห็นด้วยกับการสังเกต

Hayley Macpherson นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัย Monash ในเมลเบิร์น ออสเตรเลีย กล่าวว่า “มุมมองส่วนตัวของฉันคือผลกระทบที่น้อยกว่ามาก “นั่นเป็นเพียงแค่ความรู้สึกของลำไส้” ทฤษฎีที่มีพลังงานมืดอธิบายจักรวาลได้ดีมาก เธอชี้ให้เห็น เป็นไปได้อย่างไรถ้าวิธีการทั้งหมดมีข้อบกพร่อง?

การจำลองแบบใหม่โดย Macpherson และคนอื่นๆ ที่สร้างแบบจำลองว่าก้อนมีวิวัฒนาการอย่างไรในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อาจสามารถวัดความสำคัญของปฏิกิริยาย้อนกลับได้ในคราวเดียว ทอม กิบลิน นักจักรวาลวิทยาแห่งวิทยาลัยเคนยอน ในเมืองแกมเบียร์ รัฐโอไฮโอ กล่าวว่า “จนถึงตอนนี้ ยากเกินไปแล้ว

ในการทำการจำลอง นักวิจัยจำเป็นต้องได้รับมือกับซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่สามารถบดบังสมการสัมพัทธภาพทั่วไปในขณะที่จักรวาลจำลองวิวัฒนาการไปตามกาลเวลา เนื่องจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นซับซ้อนมาก การจำลองดังกล่าวจึงท้าทายกว่าที่ใช้การประมาณ เช่น ความโน้มถ่วงของนิวตันมาก แต่หัวข้อที่ดูเหมือนจะชัดเจนช่วยวางรากฐานบางอย่าง: คลื่นความโน้มถ่วงหรือระลอกคลื่นในโครงสร้างของกาลอวกาศ

Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO, ค้นหาแรงสั่นสะเทือนของฝุ่นจักรวาลเช่น การชนกันของหลุมดำ ( SN: 10/28/17, p. 8 ) ในการเตรียมตัวสำหรับการค้นหานี้ นักฟิสิกส์ได้ฝึกฝนทักษะสัมพัทธภาพทั่วไปของพวกเขาในการจำลองพายุในกาลอวกาศที่หลุมดำพุ่งชน ทำนายสิ่งที่ LIGO อาจเห็นและสร้างเครื่องจักรคำนวณเพื่อแก้สมการของสัมพัทธภาพทั่วไป ตอนนี้ นักจักรวาลวิทยาได้ปรับเทคนิคเหล่านั้นและปลดปล่อยมันออกมาในจักรวาลที่เป็นก้อนทั้งหมด

การจำลองจักรวาลก้อนแรกที่ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเต็มรูปแบบได้รับการเปิดเผยในจดหมายทบทวนทางกายภาพเมื่อเดือนมิถุนายนพ.ศ. 2559 Giblin และ คณะ รายงานผลพร้อมกันกับ Eloisa Bentivegna จากมหาวิทยาลัย Catania ในอิตาลี และ Marco Bruni จากมหาวิทยาลัย Portsmouth ในอังกฤษ

จนถึงตอนนี้ 

การจำลองยังไม่สามารถอธิบายความเร่งของจักรวาลได้ Martin Kunz นักจักรวาลวิทยาจากมหาวิทยาลัยเจนีวากล่าวว่า “เกือบทุกคนเชื่อว่า [เอฟเฟกต์] นั้นเล็กเกินกว่าจะอธิบายความต้องการพลังงานมืดได้ Kunz และเพื่อนร่วมงานได้ข้อสรุปเดียวกันในการจำลองจักรวาลที่เป็นก้อนซึ่งมีหนึ่งฟุตในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและอีกเท้าหนึ่งในแรงโน้มถ่วงของนิวตัน พวกเขารายงานผลลัพธ์แรกของพวกเขาในNature Physicsในเดือนมีนาคม 2559

ผู้ที่คลั่งไคล้ปฏิกิริยาตอบสนองยังคงไม่ท้อถอย “ก่อนที่จะพูดว่าเอฟเฟกต์นั้นเล็กเกินไปที่จะเกี่ยวข้อง บอกตามตรงว่ารออีกสักหน่อย” Matarrese กล่าว และการจำลองแบบใหม่ก็มีข้อแม้ที่อาจเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น จักรวาลจำลองบางตัวมีพฤติกรรมเหมือนเกมอาร์เคดแบบเก่า หากคุณเดินไปที่ขอบด้านหนึ่งของจักรวาล คุณจะข้ามกลับไปที่อีกด้านหนึ่ง เช่น Pac-Man ออกจากด้านขวาของหน้าจอและปรากฏขึ้นทางด้านซ้ายอีกครั้ง เรขาคณิตนั้นจะยับยั้งผลกระทบของปฏิกิริยาย้อนกลับในการจำลอง Thomas Buchert จากมหาวิทยาลัยลียงในฝรั่งเศสกล่าว “นี่เป็นจุดเริ่มต้นที่ดี” เขากล่าว แต่มีงานอีกมากที่ต้องทำในการจำลอง “เราอยู่ในวัยทารก”

สมมติฐานที่แตกต่างกันในการจำลองสามารถนำไปสู่ผลลัพธ์ที่แตกต่างกัน Bentivegna กล่าว เป็นผลให้เธอไม่คิดว่าการจำลองแบบทั่วไปและสัมพัทธภาพที่เป็นก้อนของเธอได้ปิดประตูอย่างเต็มที่เพื่อพยายามกำจัดพลังงานมืด ตัวอย่างเช่น กลอุบายของแสงอาจทำให้ดูเหมือนว่าการขยายตัวของจักรวาลกำลังเร่งขึ้น ทั้งที่ความจริงแล้วไม่ใช่

เมื่อนักดาราศาสตร์สังเกตแหล่งกำเนิดที่อยู่ห่างไกลเช่นซุปเปอร์โนวา แสงจะต้องเดินทางผ่านก้อนสสารทั้งหมดระหว่างแหล่งกำเนิดกับโลก การเดินทางนั้นอาจทำให้ดูเหมือนมีการเร่งความเร็วเมื่อไม่มีอยู่จริง “มันเป็นภาพลวงตา” Bentivegna กล่าว เธอและเพื่อนร่วมงานเห็นผลกระทบดังกล่าวในการจำลองที่รายงานเมื่อเดือนมีนาคมในวารสาร Cosmology and Astroparticle Physics แต่เธอตั้งข้อสังเกตว่า งานนี้จำลองจักรวาลที่ไม่ธรรมดา ซึ่งเรื่องนี้ตั้งอยู่บนกริด ไม่ใช่สถานการณ์จริงโดยเฉพาะ