Future Dark Energy Constraints from Atomic Clocks

Stel je het universum voor als een gigantische, opblazende ballon. Decennialang weten wetenschappers al dat deze ballon niet alleen opblaast; hij versnelt. Iets duwt hem naar buiten, een mysterieuze kracht die ze "Donkere Energie" noemen. Maar wat is het? Is het een constante duw, zoals een vaste hand op de ballon? Of is het een levend, ademend veld dat in de loop van de tijd verandert, zoals een elastiekje dat strakker of losser wordt? Om dat te ontdekken, kijken kosmologen meestal naar de verste uithoeken van het kosmos, starend naar het oeroude licht van de oerknal. Maar er is een addertje onder het gras: kijken naar het verre verleden is als proberen een persoon te begrijpen door naar hun babyfoto's te kijken. Je mist wat ze nú aan het doen zijn.

Betreed het Zonnestelsel, onze kosmische achtertuin. Hoewel we niet het hele universum tegelijk kunnen zien, hebben we hier op Aarde en de Maan ongelooflijk nauwkeurige instrumenten. Denk bij "atomaire klokken" aan de meest nauwkeurige stopwatch ooit uitgevonden, zo precies dat ze geen seconde zouden verliezen over de gehele leeftijd van het universum. Dan is er "Lunar Laser Ranging", waarbij we lasers weerkaatsen op spiegels die op de Maan zijn achtergelaten om de afstand tot de Maan met millimeterprecisie te meten. Deze instrumenten vertellen ons niet alleen de tijd of de afstand; ze fungeren als een supergevoelige seismograaf voor de wetten van de natuurkunde zelf. Als de fundamentele regels van de zwaartekracht of het gewicht van atomen zelfs maar een klein beetje zouden veranderen, zouden deze klokken en lasers erover schreeuwen. Dit artikel stelt een gedurfde vraag: kunnen deze lokale, experimenten in de achtertuin ons meer vertellen over de aard van Donkere Energie dan het kijken naar de verre sterren?

Het artikel, getiteld "Future Dark Energy Constraints from Atomic Clocks" door Oem Trivedi, betoogt dat het antwoord een luidruchtig "ja" is. De auteur combineert gegevens van atomaire klokken en de Maan om druk uit te oefenen op de theorieën over Donkere Energie. De belangrijkste bevinding is een beetje een teleurstelling voor veel creatieve theorieën: als Donkere Energie wordt veroorzaakt door een "scalair veld" (een soort onzichtbaar energieveld dat de ruimte doordringt) dat interageert met materie of zwaartekracht, dan moet het ongelooflijk langzaam bewegen. Sterker nog, het artikel leidt een beperking af die aantoont dat de "toestandsvergelijking" (een getal dat beschrijft hoe de energie zich gedraagt) zo dicht bij een constante ligt dat het praktisch bevroren is. De auteur berekent dat de afwijking van een perfecte constante kleiner is dan 0,00001 tot 0,0001.

Om te begrijpen wat dit betekent, stel je een auto voor die over een snelweg rijdt. De meeste theorieën over Donkere Energie suggereren dat de auto versnelt, remt of van koers verandert (verandert van snelheid of richting). Dit artikel zegt dat als de auto wordt aangedreven door een scalair veld dat met onze lokale wereld interageert, hij helemaal niet van koers verandert. Hij rijdt met een volkomen constante, onveranderlijke snelheid, zo constant dat het precies lijkt op een "kosmologische constante" (een vaste, onveranderlijke energie van de lege ruimte). Het artikel laat zien dat populaire modellen zoals "k-essence", "DBI-modellen", "fantoomenergie" en diverse "gemodificeerde zwaartekracht"-theorieën effectief worden uitgesloten indien hun velden koppelen aan de lokale fysica. Deze modellen vertrouwen meestal op het feit dat het veld snel beweegt of zijn eigenschappen verandert om de expansie van het universum te verklaren, maar de nieuwe beperkingen laten zien dat een dergelijke beweging tegenwoordig al door onze atomaire klokken en maanlasers gedetecteerd zou zijn. Omdat we die beweging niet hebben gezien, zijn die theorieën voor het heden effectief uitgesloten onder de aanname dat ze interageren met lokale materie of zwaartekracht.

Het artikel is zeer zelfverzekerd over deze conclusie, mits we een paar redelijke aannames accepteren. De auteur gaat ervan uit dat hetzelfde onzichtbare veld dat de expansie van het universum aandrijft, ook het veld is dat lokaal de mogelijk zou kunnen aanpassen of de sterkte van de zwaartekracht. De auteur gebruikt een "gevoeligheidsfactor" (hoe de klok verandert als het veld beweegt) die wordt geschat op ongeveer $10^{-5}$. Op basis hiervan laat de auteur zien dat de snelheid van het veld vandaag de dag ($\dot{\phi}_0$) zo traag is dat het zich in een "ultra-slow-roll" regime bevindt. Het is niet alleen traag; het is praktisch in slaap gevallen. De auteur merkt op dat hoewel we nog geen perfecte meting van die gevoedelijkheidsfactor hebben, zelfs met conservatieve schattingen, dwingt het resultaat de Donkere Energie om zich bijna exact als een statische, onveranderlijke constante te gedragen.

Dus, wat blijft er voor ons over? Als je de expansie van het universum wilt verklaren met een dynamisch, veranderend veld dat interageert met onze lokale wereld, zegt het artikel dat je voor niets bent gegaan. De enige levensvatbare opties die overblijven zijn de saaie: ofwel is Donkere Energie een ware, onveranderlijke kosmologische constante (de "vaste hand" op de ballon), of het is een veld dat zo perfect geïsoleerd is van onze lokale fysica dat het onze klokken of de Maan helemaal niet beïnvloedt. Het artikel suggereert dat als we huidige mysteries willen oplossen, zoals de "Hubble-spanning" (een onenigheid over hoe snel het universum uitdijt) door complexe, bewegende Donkere Energievelden uit te vinden, we voorzichtig moeten zijn. Die velden zouden zo stil en zo onbeweeglijk moeten zijn dat ze net zo goed een constante kunnen zijn, of ze moeten volledig ontkoppeld zijn van lokale interacties. De auteur concludeert dat het meest consistente beeld van Donkere Energie op dit moment een is dat niet te onderscheiden is van een kosmologische constante, waardoor de deur open blijft staan voor toekomstige experimenten met nog betere klokken om deze stilstand te bevestigen of een piepkleine, onverwachte trilling op te vangen.