Как было открыто ускоренное расширение вселенной

Ускоренное расширение Вселенной

Ускоренное расширение Вселенной – процесс доказывающий, что наша Вселенная расширяется, при этом имея некое ускорение. Это явление было открыто в 1998 году группой американских учёных.

Ниже давайте разберём, что собой представляет это явление, и какие силы являются двигателем этого процесса.

С теории происхождения Вселенной мы знаем, что она начала расширяться через 10 -35 с после Большого взрыва. Этот процесс называется космическая инфляция. И расширяется Вселенная до сих пор.

Экспериментально расширение Вселенной очень хорошо доказал знаменитый американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл в 1929 году, выдвинув так называемый закон Хаббла – закон о всеобщем разбегании галактик.

Ранее считалось, что расширение Вселенной – процесс замедляющийся, и она в основном состоит как с видимой материи, так и с тёмной материи (см. терминологию сайта).

Благодаря новым наблюдениям, доказывающим ускорение расширения Вселенной, был открыт ранее неизвестный вид энергии, с отрицательным давлением – тёмная энергия.

По имеющимся, на сегодняшний день, данным ускоренное расширение Вселенной началось около 5 миллиардов лет назад. Считается, что до этого расширение замедлялось. Причиной тому служило гравитационное действие между тёмной и барионной материями.

При расширении, плотность материи во Вселенной будет уменьшаться, причём плотность барионной материи уменьшается быстрее, нежели плотность тёмной энергии. В конце концов, последняя начинает преобладать. Этот момент и послужил началом ускорения расширения Вселенной.

При таком развитии событий существует много сценариев о будущем Вселенной.

Самый вероятный из них, так это то, что все галактики, находящиеся за пределами местного Сверхскопления (см. терминологию сайта) когда-то выйдут за так называемый горизонт событий (см. терминологию сайта), то есть они станут для нас недоступны и даже невидимы. В конце концов, и наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти (см. терминологию сайта).

Есть и более экзотические модели, например теория Большого разрыва. Эта модель гласит, что когда-то тёмная энергия станет доминирующей и полностью нарушит все гравитационные связи, в том числе и электростатические связи между молекулами и атомами. Проще говоря, вся Вселенная исчезнет вовсе.

Может случиться так, что тёмная энергия когда-то рассеется и ускоренное расширение Вселенной смениться её сжатием. Одним словом версий много, большинство из которых не имеет ни одного доказательства.

Если Вам понравилась статья, поделитесь ней

Источник

Тёмная энергия могла быть введена по ошибке, а Вселенная расширяется без ускорения

Научный метод подразумевает постоянное опровержение выдвигаемых гипотез. Только многократно подтверждённые гипотезы становятся теорией. Понятие «тёмная энергия» было введено с открытием ускоренного расширения Вселенной в 1998 году и означает, по сути, необъяснимую энергию, в отсутствии которой гравитация должна приводить к замедлению расширения.

Как было открыто ускоренное расширение Вселенной?

Астрофизики измеряли расстояния до очень далёких галактик, чтобы понять, насколько огромна наша Вселенная. Для того, чтобы делать это с наименьшей погрешностью, необходим максимально однозначный ориентир, которым в этом случае стали сверхновые типа Ia, вспыхивающие, когда масса белого карлика достигает значения, называемого пределом Чандрасекара. В соответствии с данными, имеющимися на тот момент, было выдвинуто предположение, что светимость этих сверхновых не эволюционирует при увеличении возраста галактик, являясь своеобразным стандартным маяком. То есть, независимо от возраста наблюдаемой галактики, светимость вспыхнувшей в ней сверхновой типа Ia должна быть примерно одинаковой. Такой метод измерения расстояний до невероятно далёких галактик называется методом «стандартных свечей».

В соответствии с этим предположением оказалось, что очень далёкие галактики находятся дальше, чем это следует из закона Хаббла, однозначно связывающего расстояния до галактик с величиной их красного смещения. Именно это и привело учёных к заключению о том, что Вселенная расширяется с ускорением.

Верна ли гипотеза?

Последние 9 лет южнокорейские астрономы Университета Йонсей и Института астрономических и космических наук проводили исследования, результаты которых показывают, что предположение о независимой от возраста галактик светимости сверхновых типа Ia, вероятнее всего, является ошибочным, что исключает ускоренное расширение Вселенной, а значит, и необходимость в тёмной энергии. Статья с описанием результатов этого исследования принята к публикации в Astrophysical Journal . Вкратце, корейскими учёными были проведены максимально точные спектроскопические измерения большинства близлежащих ранних галактик, в которых были зарегистрированы сверхновые типа Ia. В результате этих измерений была зафиксирована корреляция между светимостью сверхновых и возрастом галактик при уровне достоверности 99,5%.

Это означает, что уменьшение яркости сверхновых происходит не только из-за увеличения расстояния до них, но и из-за разницы в возрасте галактик, в которых они находятся. Из-за того, что далёкие галактики мы видим гораздо более молодыми, чем близлежащие, оценки расстояний до них оказываются сильно завышенными. А тот факт, что светимость сверхновых в основном зависит от возраста галактик, ставит под сомнение ускоренное расширение Вселенной (за открытие которого, напомню, была вручена Нобелевская премия по физике в 2011 году), что, в свою очередь, исключает необходимость существования тёмной энергии.

Следует отметить, что авторы работы не отрицают существование тёмной энергии, но заявляют о необходимости подробного рассмотрения полученной зависимости. В ближайшем будущем они проведут исследование большего числа галактик, в том числе и более далёких. Вполне может оказаться, что гипотеза о существовании тёмной энергии основывается на ошибочном предположении, а значит, мы станем свидетелями новой революции в астрофизике, поэтому я обязательно буду следить за развитием данного исследования, чтобы вы первые узнали о его результатах, поэтому подписывайтесь на канал и делитесь ссылкой на него с друзьями в социальных сетях. За футболками и худи с крутейшими принтами вот в этот магазин . Ещё у меня есть канал в Telegram и уютный чатик для дискуссий на научные темы. Не забывайте делиться ссылкой на канал с друзьями. Спасибо, что читаете.

Источник

Ускоряющееся расширение Вселенной — Accelerating expansion of the universe

Категория
Астрономический портал

Наблюдения показывают , что расширение по Вселенной ускоряется, таким образом, что скорость , при которой далекой галактике отступает от наблюдателя непрерывно увеличивается со временем.

Ускоренное расширение было обнаружено в 1998 году двумя независимыми проектами, Проектом по космологии сверхновых звезд и группой по поиску сверхновых с высоким Z , которые оба использовали далекие сверхновые типа Ia для измерения ускорения. Идея заключалась в том, что, поскольку сверхновые типа Ia имеют почти такую же внутреннюю яркость ( стандартная свеча ), и поскольку объекты, находящиеся дальше, кажутся более тусклыми, мы можем использовать наблюдаемую яркость этих сверхновых, чтобы измерить расстояние до них. Затем расстояние можно сравнить с космологическим красным смещением сверхновой , которое измеряет, насколько Вселенная расширилась с момента возникновения сверхновой. Неожиданным результатом стало то, что объекты во Вселенной удаляются друг от друга с ускоренной скоростью. В то время космологи ожидали, что скорость удаления всегда будет замедляться из-за гравитационного притяжения материи во Вселенной. Три члена этих двух групп впоследствии были удостоены Нобелевских премий за свое открытие. Подтверждающие доказательства были найдены в барионных акустических колебаниях и при анализе скоплений галактик.

Считается, что ускоренное расширение Вселенной началось с тех пор, как Вселенная вступила в эру доминирования темной энергии примерно 4 миллиарда лет назад. В рамках общей теории относительности ускоренное расширение можно объяснить положительным значением космологической постоянной Λ , эквивалентным наличию положительной энергии вакуума , получившей название « темная энергия ». Хотя есть альтернативные возможные объяснения, описание, предполагающее темную энергию (положительное Λ ), используется в текущей стандартной модели космологии , которая также включает холодную темную материю (CDM) и известна как модель Lambda-CDM .

СОДЕРЖАНИЕ

Задний план

За десятилетия, прошедшие с момента обнаружения космического микроволнового фона (CMB) в 1965 году, модель Большого взрыва стала наиболее распространенной моделью, объясняющей эволюцию нашей Вселенной. Уравнение Фридмана определяет, как энергия Вселенной управляет ее расширением.

ЧАС 2 знак равно ( а ˙ а ) 2 знак равно 8 π грамм 3 ρ — κ c 2 а 2 <\ displaystyle H ^ <2>= <\ left (<\ frac <\ dot > > \ right)> ^ <2>= <\ frac <8 <\ pi>G> <3>> \ rho — <\ frac <<\ kappa>c ^ <2>> >>>

где κ представляет собой кривизну Вселенной , a ( t ) — масштабный фактор , ρ — полная плотность энергии Вселенной, а H — параметр Хаббла .

ρ c знак равно 3 ЧАС 2 8 π грамм <\ displaystyle \ rho _ = <\ frac <3H ^ <2>> <8 <\ pi>G>>>

Ω знак равно ρ ρ c <\ Displaystyle \ Omega = <\ гидроразрыва <\ rho><\ rho _ >>>

Затем мы можем переписать параметр Хаббла как

ЧАС ( а ) знак равно ЧАС 0 Ω k а — 2 + Ω м а — 3 + Ω р а — 4 + Ω D E а — 3 ( 1 + ш ) <\ displaystyle H (a) = H_ <0> <\ sqrt <<\ Omega _ a ^ <- 2>+ \ Omega> _ a ^ <- 3>+ \ Omega _ a ^ <- 4>+ \ Omega _ <\ mathrm > a ^ <- 3 (1 + w)>>>>

где четыре предполагаемых в настоящее время вкладчика в плотность энергии Вселенной — кривизна , материя , излучение и темная энергия . Каждый из компонентов уменьшается с расширением Вселенной (увеличение масштабного фактора), за исключением, возможно, члена темной энергии. Именно значения этих космологических параметров используют физики для определения ускорения Вселенной.

Уравнение ускорения описывает эволюцию масштабного фактора во времени.

а ¨ а знак равно — 4 π грамм 3 ( ρ + 3 п c 2 ) <\ displaystyle <\ frac <\ ddot > > = — <\ frac <4 <\ pi>G> <3>> \ left (\ rho + <\ frac <3P>>> \ right)>

где давление P определяется выбранной космологической моделью. (см. пояснительные модели ниже)

Одно время физики были настолько уверены в замедлении расширения Вселенной, что ввели так называемый параметр замедления q ₀ . Текущие наблюдения показывают, что этот параметр замедления отрицательный.

Отношение к инфляции

Согласно теории космической инфляции , очень ранняя Вселенная пережила период очень быстрого квазиэкспоненциального расширения. Хотя временной масштаб для этого периода расширения был намного короче, чем у текущего расширения, это был период ускоренного расширения с некоторым сходством с текущей эпохой.

Техническое определение

Определение «ускорение расширения» является то , что вторая производная по времени космического масштабного коэффициента, является положительной, что эквивалентно параметром замедления , , будучи отрицательным. Однако обратите внимание, что это не означает, что параметр Хаббла увеличивается со временем. Поскольку параметр Хаббла определяется как , из определений следует, что производная параметра Хаббла определяется выражением а ¨ <\ Displaystyle <\ ddot <а>>> q <\ displaystyle q> ЧАС ( т ) ≡ а ˙ ( т ) / а ( т ) <\ Displaystyle Н (т) \ экв <\ точка <а>> (т) / а (т)>

d ЧАС d т знак равно — ЧАС 2 ( 1 + q ) <\ displaystyle <\ frac

> = — H ^ <2>(1 + q)>

поэтому параметр Хаббла со временем уменьшается, если только . Предпочтение отдается наблюдению , что подразумевает, что положительно, но отрицательно. По сути, это означает, что космическая скорость удаления любой конкретной галактики увеличивается со временем, но ее соотношение скорость / расстояние все еще уменьшается; таким образом, различные галактики, расширяющиеся по сфере фиксированного радиуса, в более поздние времена пересекают сферу медленнее. q — 1 <\ displaystyle q q ≈ — 0,55 <\ displaystyle q \ приблизительно -0,55> а ¨ <\ Displaystyle <\ ddot <а>>> d ЧАС / d т <\ displaystyle dH / dt>

Как видно из выше , что в случае «нулевого ускорения / замедления» соответствует является линейной функцией , , , и . а ( т ) <\ Displaystyle а (т)> т <\ displaystyle t> q знак равно 0 <\ displaystyle q = 0> а ˙ знак равно c о п s т <\ displaystyle <\ dot > = const> ЧАС ( т ) знак равно 1 / т <\ Displaystyle Н (т) = 1 / т>

Доказательства ускорения

Чтобы узнать о скорости расширения Вселенной, мы смотрим на соотношение звездных величин и красного смещения астрономических объектов с использованием стандартных свечей или на их соотношение расстояние-красное смещение с использованием стандартных линейок . Мы также можем посмотреть на рост крупномасштабной структуры и обнаружить, что наблюдаемые значения космологических параметров лучше всего описываются моделями, которые включают ускоряющееся расширение.

Наблюдение за сверхновой

В 1998 году первое свидетельство ускорения было получено при наблюдении сверхновых типа Ia , которые представляют собой взрывающиеся белые карлики , превысившие предел своей устойчивости . Поскольку все они имеют одинаковую массу, их собственная светимость может быть стандартизирована. Для обнаружения сверхновых используется повторное отображение выбранных областей неба, затем последующие наблюдения дают их пиковую яркость, которая конвертируется в величину, известную как расстояние светимости (подробности см. В разделе « Измерения расстояний в космологии» ). Спектральные линии их света можно использовать для определения их красного смещения .

Для сверхновых с красным смещением менее 0,1 или временем прохождения света менее 10 процентов возраста Вселенной это дает почти линейную зависимость между расстоянием и красным смещением в соответствии с законом Хаббла . На больших расстояниях, поскольку скорость расширения Вселенной менялась со временем, соотношение расстояние-красное смещение отклоняется от линейности, и это отклонение зависит от того, как скорость расширения изменялась с течением времени. Полный расчет требует компьютерного интегрирования уравнения Фридмана, но простой вывод можно дать следующим образом: красное смещение z напрямую дает космический масштабный коэффициент в момент взрыва сверхновой.

а ( т ) знак равно 1 1 + z <\ Displaystyle а (т) = <\ гидроразрыва <1><1 + z>>>

Таким образом, сверхновая с измеренным красным смещением z = 0,5 означает, что Вселенная была 1 / 1 + 0,5 знак равно 2 / 3 нынешнего размера, когда взорвалась сверхновая. В случае ускоренного расширения, положительное значение было меньше в прошлом, чем сегодня. Таким образом, ускоряющейся Вселенной потребовалось больше времени, чтобы расшириться от 2/3 до 1 раза от ее нынешнего размера, по сравнению с неускоряющейся Вселенной с постоянным и таким же современным значением постоянной Хаббла. Это приводит к большему времени прохождения света, большему расстоянию и более слабым сверхновым, что соответствует реальным наблюдениям. Адам Рисс и др. обнаружили, что «расстояния до SNe Ia с большим красным смещением были в среднем на 10–15% больше, чем ожидалось во Вселенной с низкой плотностью массы Ω _M = 0,2 без космологической постоянной». Это означает, что измеренные расстояния с большим красным смещением были слишком большими по сравнению с ближайшими расстояниями для замедляющейся Вселенной. а ¨ <\ Displaystyle <\ ddot <а>>> а ˙ <\ displaystyle <\ dot >> а ˙ <\ displaystyle <\ dot >>

Барионные акустические колебания

В ранней Вселенной до того, как произошла рекомбинация и разделение , фотоны и материя существовали в первичной плазме . Точки с более высокой плотностью в фотонно-барионной плазме сжимались под действием силы тяжести до тех пор, пока давление не становилось слишком большим, и они снова расширялись. Это сжатие и расширение создавало в плазме вибрации, аналогичные звуковым волнам . Поскольку темная материя взаимодействует только гравитационно, она остается в центре звуковой волны, источнике первоначальной сверхплотности. Когда произошло разделение, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, фотоны отделились от материи и смогли свободно течь через Вселенную, создавая космический микроволновый фон, каким мы его знаем. Это оставило оболочки барионной материи на фиксированном радиусе от сверхплотности темной материи, на расстоянии, известном как звуковой горизонт. Со временем, когда Вселенная расширилась, именно при этих анизотропии плотности материи начали формироваться галактики. Таким образом, глядя на расстояния, на которых галактики с разным красным смещением стремятся к скоплению, можно определить расстояние стандартного углового диаметра и использовать его для сравнения с расстояниями, предсказанными различными космологическими моделями.

Были обнаружены пики в корреляционной функции (вероятность того, что две галактики будут находиться на определенном расстоянии друг от друга) при 100 ч -1 Мпк (где h — безразмерная постоянная Хаббла ), что указывает на то, что это размер звукового горизонта сегодня, и сравнивая это со звуковым горизонтом во время разделения (используя CMB), мы можем подтвердить ускоренное расширение Вселенной.

Скопления галактик

Измерение функций масс скоплений галактик , которые описывают плотность скоплений выше пороговой массы, также свидетельствует о темной энергии. Путем сравнения этих массовых функций при больших и малых красных смещениях с предсказанными различными космологическими моделями, получены значения w и Ω _m , которые подтверждают низкую плотность вещества и ненулевое количество темной энергии.

Возраст вселенной

Имея космологическую модель с определенными значениями космологических параметров плотности, можно интегрировать уравнения Фридмана и получить возраст Вселенной.

т 0 знак равно ∫ 0 1 d а а ˙ <\ displaystyle t_ <0>= \ int _ <0>^ <1> <\ frac <\ dot >>>

Сравнивая это с фактическими измеренными значениями космологических параметров, мы можем подтвердить справедливость модели, которая ускоряется сейчас и имела более медленное расширение в прошлом.

Гравитационные волны как стандартные сирены

Недавние открытия гравитационных волн с помощью LIGO и VIRGO не только подтвердили предсказания Эйнштейна, но и открыли новое окно во Вселенную. Эти гравитационные волны могут работать как стандартные сирены для измерения скорости расширения Вселенной. Abbot et al. В 2017 году значение постоянной Хаббла составило примерно 70 километров в секунду на мегапарсек. Амплитуды деформации h зависят от масс объектов, вызывающих волны, расстояния от точки наблюдения и частоты обнаружения гравитационных волн. Соответствующие меры расстояния зависят от космологических параметров, таких как постоянная Хаббла для близлежащих объектов, и будут зависеть от других космологических параметров, таких как плотность темной энергии, плотность материи и т. Д. Для удаленных источников.

Пояснительные модели

Темная энергия

Самым важным свойством темной энергии является то, что она имеет отрицательное давление (отталкивающее действие), которое относительно равномерно распределяется в пространстве.

п знак равно ш c 2 ρ <\ displaystyle P = wc ^ <2>\ rho>

где c — скорость света, а ρ — плотность энергии. Различные теории темной энергии предполагают разные значения w , причем w 1 / 3 для космического ускорения (это приводит к положительному значению ä в уравнении ускорения выше).

Самое простое объяснение темной энергии состоит в том, что это космологическая постоянная или энергия вакуума ; в этом случае w = −1 . Это приводит к модели лямбда-CDM , которая с 2003 года по настоящее время известна как Стандартная модель космологии, поскольку это простейшая модель, хорошо согласующаяся с множеством недавних наблюдений. Riess et al. обнаружили, что их результаты по наблюдениям сверхновых отдают предпочтение расширяющимся моделям с положительной космологической постоянной ( Ω _λ > 0 ) и текущим ускоренным расширением ( q ₀ ).

Фантомная энергия

Текущие наблюдения допускают возможность космологической модели, содержащей компонент темной энергии с уравнением состояния w . Эта фантомная плотность энергии станет бесконечной за конечное время, вызывая такое огромное гравитационное отталкивание, что Вселенная потеряет всю структуру и закончится Большим разрывом . Например, для w = — 3 / 2 и H ₀ = 70 км · с −1 · Мпк −1 , время, оставшееся до того, как Вселенная закончится в этом Большом разломе, составляет 22 миллиарда лет.

Альтернативные теории

Есть много альтернативных объяснений ускоряющейся Вселенной. Некоторые примеры — квинтэссенция , предложенная форма темной энергии с непостоянным уравнением состояния, плотность которой со временем уменьшается. Отрицательная масса космология не предполагает , что плотность массы Вселенной положительна (как это сделано в наблюдениях сверхновых), и вместо этого находит отрицательную космологическую постоянную. Бритва Оккама также предполагает, что это «более экономная гипотеза». Темная жидкость — альтернативное объяснение ускоренного расширения, которое пытается объединить темную материю и темную энергию в единую структуру. В качестве альтернативы, некоторые авторы утверждали, что ускоренное расширение Вселенной может быть связано с отталкивающим гравитационным взаимодействием антивещества или отклонением законов гравитации от общей теории относительности, таких как массивная гравитация , что означает, что гравитоны сами имеют массу. Измерение скорости гравитации с помощью гравитационного волнового события GW170817 исключило многие модифицированные теории гравитации в качестве альтернативного объяснения темной энергии.

Другой тип модели, гипотеза обратной реакции, была предложена космологом Сикси Рясяненом: скорость расширения неоднородна, но мы находимся в области, где расширение происходит быстрее, чем фон. Неоднородности в ранней Вселенной вызывают образование стенок и пузырей, причем внутри пузыря содержится меньше вещества, чем в среднем. Согласно общей теории относительности, пространство менее искривлено, чем стены, и поэтому кажется, что оно имеет больший объем и более высокую скорость расширения. В более плотных областях расширение замедляется более сильным гравитационным притяжением. Следовательно, внутренний коллапс более плотных областей выглядит так же, как ускоренное расширение пузырьков, что приводит нас к выводу, что Вселенная подвергается ускоренному расширению. Преимущество в том, что для этого не требуется никакой новой физики, такой как темная энергия. Рясянен не считает эту модель вероятной, но без каких-либо фальсификаций она должна оставаться возможной. Для работы потребуются довольно большие колебания плотности (20%).

Последняя возможность состоит в том, что темная энергия — это иллюзия, вызванная некоторым смещением в измерениях. Например, если мы находимся в более пустой, чем в среднем, области пространства, наблюдаемая скорость космического расширения может быть ошибочно принята за изменение во времени или за ускорение. Другой подход использует космологическое расширение принципа эквивалентности, чтобы показать, как может казаться, что пространство расширяется быстрее в пустотах, окружающих наше локальное скопление. Будучи слабыми, такие эффекты, совокупно рассматриваемые в течение миллиардов лет, могут стать значительными, создавая иллюзию космического ускорения и создавая впечатление, будто мы живем в пузыре Хаббла . Еще одна возможность состоит в том, что ускоренное расширение Вселенной — это иллюзия, вызванная нашим относительным движением по отношению к остальной Вселенной, или что использованный размер выборки сверхновых не был достаточно большим.

Теории последствий для Вселенной

По мере расширения Вселенной плотность излучения и обычной темной материи снижается быстрее, чем плотность темной энергии (см. Уравнение состояния ), и, в конечном итоге, темная энергия доминирует. В частности, когда масштаб Вселенной удваивается, плотность материи уменьшается в 8 раз, но плотность темной энергии почти не меняется (она точно постоянна, если темная энергия является космологической постоянной ).

В моделях, где темная энергия является космологической постоянной, Вселенная будет экспоненциально расширяться со временем в далеком будущем, приближаясь к Вселенной де Ситтера . Это в конечном итоге приведет к исчезновению всех свидетельств Большого взрыва, поскольку космический микроволновый фон смещается в сторону более низких интенсивностей и длин волн. В конце концов, его частота станет достаточно низкой, чтобы он был поглощен межзвездной средой и, таким образом, был скрыт от любого наблюдателя в галактике. Это произойдет, когда возраст Вселенной будет меньше чем в 50 раз больше своего нынешнего возраста, что приведет к концу космологии в том виде, в каком мы ее знаем, поскольку далекая Вселенная потемнеет.

Постоянно расширяющаяся Вселенная с ненулевой космологической постоянной имеет плотность массы, уменьшающуюся со временем. В таком сценарии текущее понимание состоит в том, что вся материя будет ионизироваться и распадаться на изолированные стабильные частицы, такие как электроны и нейтрино , при этом все сложные структуры рассеиваются. Этот сценарий известен как « тепловая смерть Вселенной ».

Источник