Квінтесенція (космологія)

Квінтесенція (англ. Quintessence) - гіпотетична форма темної енергії у космології, введена для пояснення спостережуваного прискореного розширення Всесвіту. Квінтесенція відрізняється від космологічної сталої тим, що вона може змінюватись з часом. Деякі фізики описують її як п'яту фундаментальну взаємодію^[1]^[2]^[3]^[4].

Перший приклад квінтесенції запропонували Ратра^[en] і Піблс (1988)^[5] та Веттеріх^[en] (1988)^[6]^[7]. У статті 1998 року Роберта Калдвелла^[en], Рахула Дейва та Пола Стейнгардта^[en] вперше був введений термін «квінтесенція», а сама концепція була розширена до більш загальних типів змінної в часі темної енергії^[8].

Термінологія

Назва походить від лат. quinta essentia («п'ятий елемент»). Так починаючи з Середньовіччя називався елемент, доданий Аристотелем до інших чотирьох стародавніх класичних елементів, який він вважав матеріалом небесного світу. Арістотель вважав, що це чистий, тонкий і первісний елемент. Пізніші вчені ототожнили цей елемент з ефіром. Подібним чином сучасна квінтесенція була б п’ятим відомим «динамічним, залежним від часу та просторово неоднорідним» внеском у загальний вміст маси та енергії у Всесвіті.

Звичайно, інші чотири компоненти не є давньогрецькими класичними елементами, а радше «баріонами, нейтрино, темною матерією і випромінюванням». Хоча нейтрино іноді вважають випромінюванням, термін «випромінювання» в цьому контексті використовується лише для позначення безмасових фотонів. Просторова кривизна космосу (яка не була виявлена) виключена, оскільки вона нединамічна та однорідна; космологічна константа не розглядається як п'ятий компонент у цьому сенсі, оскільки вона нединамічна, однорідна та не залежить від часу^[9].

Огляд результатів

Квінтесенція Q описується як скалярне поле з рівнянням стану, в якому w_q (відношення тиску p_q до густини $\rho$ _q) задається потенціальною енергією $V(Q)$ і кінетичним членом:

$w_{q}={\frac {p_{q}}{\rho _{q}}}={\frac {{\frac {1}{2}}{\dot {Q}}^{2}-V(Q)}{{\frac {1}{2}}{\dot {Q}}^{2}+V(Q)}}$

Отже, квінтесенція є динамічною і, як правило, має параметри густини та w_q, які змінюються з часом. Це відрізняє її від космологічної константи, яка є статичною з фіксованою густиною енергії та w_q = − 1.

Квінтесенція може створювати як тяжіння, так і відштовхування, в залежності від співвідношення її кінетичної та потенційної енергії. Висловлювалось припущення, що квінтесенція перейшла від тяжіння до відштовхування близько десяти мільярдів років тому, приблизно через 3,5 мільярда років після Великого вибуху^[10].

Окремими випадками квінтесенції є фантомна енергія, в якій w _q < − 1^[11], та k-есенція (k-essence, скорочення від kinetic quintessence), що має нестандартну форму кінетичної енергії. Якби цей тип енергії існував, то густина темної енергії у Всесвіті зростала б, Всесвіт би розширювався зі швидкістю, вищою за експоненціальну, і це спричинило б великий розрив^[12].

У 2021 році група дослідників стверджувала, що напруження Габбла (певна неузгодженість значень сталої Габбла, виміряних локальними і глобальними методами) може означати, що життєздатними є лише моделі квінтесенції з ненульовою константою зв’язку^[13].

Див. також

П'ята сила

Джерела

↑ Carroll, S.M. (1998). Quintessence and the Rest of the World: Suppressing Long-Range Interactions. Phys. Rev. Lett. 81 (15): 3067—3070. arXiv:astro-ph/9806099. Bibcode:1998PhRvL..81.3067C. doi:10.1103/PhysRevLett.81.3067.
↑ Wetterich, C. Quintessence --a fifth force from variation of the fundamental scale (PDF). Heidelberg University.
↑ Dvali, Gia; Zaldarriaga, Matias (2002). Changing α With Time: Implications For Fifth-Force-Type Experiments And Quintessence (PDF). Physical Review Letters. 88 (9): 091303. arXiv:hep-ph/0108217. Bibcode:2002PhRvL..88i1303D. doi:10.1103/PhysRevLett.88.091303. PMID 11863992.
↑ Cicoli, Michele; Pedro, Francisco G.; Tasinato, Gianmassimo (23 July 2012). "Natural Quintessence in String Theory" – via arXiv.org.
↑ Ratra, P.; Peebles, L. (1988). Cosmological consequences of a rolling homogeneous scalar field. Physical Review D. 37 (12): 3406—3427. Bibcode:1988PhRvD..37.3406R. doi:10.1103/PhysRevD.37.3406. PMID 9958635.
↑ Wetterich, C. (13 червня 1988). Cosmology and the fate of dilatation symmetry. Nuclear Physics B (англ.). 302 (4): 668—696. arXiv:1711.03844. Bibcode:1988NuPhB.302..668W. doi:10.1016/0550-3213(88)90193-9. ISSN 0550-3213.
↑ Doran, Michael (1 жовтня 2001). et al. Quintessence and the Separation of Cosmic Microwave Background Peaks. The Astrophysical Journal (англ.). 559 (2): 501—506. arXiv:astro-ph/0012139. Bibcode:2001ApJ...559..501D. doi:10.1086/322253 — через Iopscience.
↑ Caldwell, R.R.; Dave, R.; Steinhardt, P.J. (1998). Cosmological Imprint of an Energy Component with General Equation-of-State. Phys. Rev. Lett. 80 (8): 1582—1585. arXiv:astro-ph/9708069. Bibcode:1998PhRvL..80.1582C. doi:10.1103/PhysRevLett.80.1582.
↑ Caldwell, R.R.; Dave, R.; Steinhardt, P.J. (1998). Cosmological Imprint of an Energy Component with General Equation-of-State. Phys. Rev. Lett. 80 (8): 1582—1585. arXiv:astro-ph/9708069. Bibcode:1998PhRvL..80.1582C. doi:10.1103/PhysRevLett.80.1582.
↑ Wanjek, Christopher. Quintessence, accelerating the Universe?. Astronomy Today.
↑ Caldwell, R. R. (2002). A phantom menace? Cosmological consequences of a dark energy component with super-negative equation of state. Physics Letters B. 545 (1–2): 23—29. arXiv:astro-ph/9908168. Bibcode:2002PhLB..545...23C. doi:10.1016/S0370-2693(02)02589-3.
↑ Antoniou, Ioannis; Perivolaropoulos, Leandros (2016). Geodesics of McVittie Spacetime with a Phantom Cosmological Background. Phys. Rev. D. 93 (12): 123520. arXiv:1603.02569. Bibcode:2016PhRvD..93l3520A. doi:10.1103/PhysRevD.93.123520.
↑ Krishnan, Chethan; Mohayaee, Roya; Colgáin, Eoin Ó; Sheikh-Jabbari, M. M.; Yin, Lu (16 вересня 2021). Does Hubble Tension Signal a Breakdown in FLRW Cosmology?. Classical and Quantum Gravity. 38 (18): 184001. arXiv:2105.09790. Bibcode:2021CQGra..38r4001K. doi:10.1088/1361-6382/ac1a81. ISSN 0264-9381.

Література

Ostriker JP, Steinhardt P (January 2001). The Quintessential Universe. Scientific American. 284 (1): 46—53.
Christof, Wetterich (24 вересня 1987). Cosmology and the fate of dilatation symmetry. Nuclear Physics B. 302 (4): 668—696. arXiv:1711.03844. Bibcode:1988NuPhB.302..668W. doi:10.1016/0550-3213(88)90193-9.
Ostriker JP; Steinhardt P (January 2001). The Quintessential Universe. Scientific American. 284: 46—53. Bibcode:2001SciAm.284a..46O. doi:10.1038/scientificamerican0101-46. PMID 11132422.
Lawrence M. Krauss (2000). Quintessence: The Search for Missing Mass in the Universe. Basic Books. ISBN 978-0465037414.

Посилання

Dark Energy dominates the Universe [Архівовано 24 Квітня 2008 у Wayback Machine.] (недоступне посилання)
Dark Energy dominates the Universe
Quintessence Accelerating the Universe [Архівовано 30 Грудня 2013 у Wayback Machine.]
Quintessence [Архівовано 19 Січня 2012 у Wayback Machine.]
Quintessence model on arxiv.org [Архівовано 24 Жовтня 2021 у Wayback Machine.]

[1] Carroll, S.M. (1998). Quintessence and the Rest of the World: Suppressing Long-Range Interactions. Phys. Rev. Lett. 81 (15): 3067—3070. arXiv:astro-ph/9806099. Bibcode:1998PhRvL..81.3067C. doi:10.1103/PhysRevLett.81.3067.

[2] Wetterich, C. Quintessence --a fifth force from variation of the fundamental scale (PDF). Heidelberg University.

[3] Dvali, Gia; Zaldarriaga, Matias (2002). Changing α With Time: Implications For Fifth-Force-Type Experiments And Quintessence (PDF). Physical Review Letters. 88 (9): 091303. arXiv:hep-ph/0108217. Bibcode:2002PhRvL..88i1303D. doi:10.1103/PhysRevLett.88.091303. PMID 11863992.

[4] Cicoli, Michele; Pedro, Francisco G.; Tasinato, Gianmassimo (23 July 2012). "Natural Quintessence in String Theory" – via arXiv.org.

[RatraPeebles1988-5] Ratra, P.; Peebles, L. (1988). Cosmological consequences of a rolling homogeneous scalar field. Physical Review D. 37 (12): 3406—3427. Bibcode:1988PhRvD..37.3406R. doi:10.1103/PhysRevD.37.3406. PMID 9958635.

[6] Wetterich, C. (13 червня 1988). Cosmology and the fate of dilatation symmetry. Nuclear Physics B (англ.). 302 (4): 668—696. arXiv:1711.03844. Bibcode:1988NuPhB.302..668W. doi:10.1016/0550-3213(88)90193-9. ISSN 0550-3213.

[7] Doran, Michael (1 жовтня 2001). et al. Quintessence and the Separation of Cosmic Microwave Background Peaks. The Astrophysical Journal (англ.). 559 (2): 501—506. arXiv:astro-ph/0012139. Bibcode:2001ApJ...559..501D. doi:10.1086/322253 — через Iopscience.

[CDS2-8] Caldwell, R.R.; Dave, R.; Steinhardt, P.J. (1998). Cosmological Imprint of an Energy Component with General Equation-of-State. Phys. Rev. Lett. 80 (8): 1582—1585. arXiv:astro-ph/9708069. Bibcode:1998PhRvL..80.1582C. doi:10.1103/PhysRevLett.80.1582.

[CDS-9] Caldwell, R.R.; Dave, R.; Steinhardt, P.J. (1998). Cosmological Imprint of an Energy Component with General Equation-of-State. Phys. Rev. Lett. 80 (8): 1582—1585. arXiv:astro-ph/9708069. Bibcode:1998PhRvL..80.1582C. doi:10.1103/PhysRevLett.80.1582.

[10] Wanjek, Christopher. Quintessence, accelerating the Universe?. Astronomy Today.

[Caldwell2002-11] Caldwell, R. R. (2002). A phantom menace? Cosmological consequences of a dark energy component with super-negative equation of state. Physics Letters B. 545 (1–2): 23—29. arXiv:astro-ph/9908168. Bibcode:2002PhLB..545...23C. doi:10.1016/S0370-2693(02)02589-3.

[Antoniou2016-12] Antoniou, Ioannis; Perivolaropoulos, Leandros (2016). Geodesics of McVittie Spacetime with a Phantom Cosmological Background. Phys. Rev. D. 93 (12): 123520. arXiv:1603.02569. Bibcode:2016PhRvD..93l3520A. doi:10.1103/PhysRevD.93.123520.

[FLRW_breakdown-13] Krishnan, Chethan; Mohayaee, Roya; Colgáin, Eoin Ó; Sheikh-Jabbari, M. M.; Yin, Lu (16 вересня 2021). Does Hubble Tension Signal a Breakdown in FLRW Cosmology?. Classical and Quantum Gravity. 38 (18): 184001. arXiv:2105.09790. Bibcode:2021CQGra..38r4001K. doi:10.1088/1361-6382/ac1a81. ISSN 0264-9381.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]