Физическая космология — раздел космологии , занимающийся изучением космологических моделей. Космологическая модель , или просто космология , обеспечивает описание крупномасштабных структур и динамики Вселенной и позволяет изучать фундаментальные вопросы о ее происхождении , структуре, эволюции и окончательной судьбе . [1] Космология как наука возникла на основе принципа Коперника , который подразумевает, что небесные тела подчиняются идентичным физическим законам с земными, и ньютоновской механики , которая впервые позволила понять эти физические законы.
Физическая космология, как ее теперь понимают, началась с разработки в 1915 году общей теории относительности Альберта Эйнштейна , за которой последовали крупные наблюдательные открытия в 1920-х годах: во-первых, Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная содержит огромное количество внешних галактик за пределами Вселенной. Млечный путь ; затем работа Весто Слайфера и других показала, что Вселенная расширяется . Эти достижения позволили размышлять о происхождении Вселенной и позволили утвердить теорию Большого взрыва Жоржа Леметра в качестве ведущей космологической модели. Некоторые исследователи до сих пор защищают несколько альтернативных космологий ; [2] однако большинство космологов сходятся во мнении, что теория Большого взрыва лучше всего объясняет эти наблюдения.
Впечатляющие достижения в наблюдательной космологии с 1990-х годов, в том числе исследования космического микроволнового фона , далеких сверхновых и красного смещения галактик , привели к разработке стандартной модели космологии . Эта модель требует, чтобы Вселенная содержала большое количество темной материи и темной энергии , природа которых в настоящее время не совсем понятна, но модель дает подробные предсказания, которые прекрасно согласуются со многими разнообразными наблюдениями. [3]
Космология в значительной степени опирается на работы многих разрозненных областей исследований в теоретической и прикладной физике . Области, имеющие отношение к космологии, включают эксперименты и теорию физики элементарных частиц , теоретическую и наблюдательную астрофизику , общую теорию относительности, квантовую механику и физику плазмы .
Современная космология развивалась по тандемному пути теории и наблюдения. В 1916 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности , которая предоставила единое описание гравитации как геометрического свойства пространства и времени. [4] В то время Эйнштейн верил в статическую Вселенную , но обнаружил, что его первоначальная формулировка теории не допускала этого. [5] Это происходит потому, что массы, распределенные по Вселенной, гравитационно притягиваются и движутся навстречу друг другу с течением времени. [6] Однако он понял, что его уравнения допускают введение постоянного члена, который мог бы противодействовать силе притяжения гравитации в космическом масштабе. Эйнштейн опубликовал свою первую статью по релятивистской космологии в 1917 году, в которой он добавил эту космологическую постоянную к своим уравнениям поля, чтобы заставить их моделировать статическую Вселенную. [7] Модель Эйнштейна описывает статическую Вселенную; пространство конечно и неограниченно (аналог поверхности сферы, которая имеет конечную площадь, но не имеет ребер). Однако эта так называемая модель Эйнштейна неустойчива к небольшим возмущениям — со временем она начнет расширяться или сжиматься. [5] Позже стало понятно, что модель Эйнштейна была лишь одной из более широкого набора возможностей, каждая из которых согласовывалась с общей теорией относительности и космологическим принципом . Космологические решения общей теории относительности были найдены Александром Фридманом в начале 1920-х годов. [8] Его уравнения описывают вселенную Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера , которая может расширяться или сжиматься и геометрия которой может быть открытой, плоской или закрытой.
В 1910-х годах Весто Слайфер (а позже Карл Вильгельм Виртц ) интерпретировал красное смещение спиральных туманностей как доплеровское смещение , указывающее на их удаление от Земли. [12] [13] Однако определить расстояние до астрономических объектов сложно. Один из способов — сравнить физический размер объекта с его угловым размером , но для этого необходимо предположить физический размер. Другой метод — измерить яркость объекта и принять его собственную светимость , исходя из которой можно определить расстояние с помощью закона обратных квадратов . Из-за сложности использования этих методов они не осознавали, что туманности на самом деле были галактиками за пределами нашего Млечного Пути , и не размышляли о космологических последствиях. В 1927 году бельгийский римско-католический священник Жорж Леметр независимо вывел уравнения Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера и на основе распада спиральных туманностей предположил, что Вселенная началась с «взрыва» «первобытного атома » [ 14] — которое позже было названо Большим взрывом. В 1929 году Эдвин Хаббл предоставил наблюдательную основу для теории Леметра. Хаббл показал, что спиральные туманности являются галактиками, определяя их расстояния с помощью измерений яркости переменных звезд цефеид . Он обнаружил связь между красным смещением галактики и расстоянием до нее. Он интерпретировал это как свидетельство того, что галактики удаляются от Земли во всех направлениях со скоростью, пропорциональной их расстоянию. [15] Этот факт теперь известен как закон Хаббла , хотя числовой коэффициент, найденный Хабблом, связывающий скорость удаления и расстояние, был отклонен в десять раз из-за незнания типов переменных цефеид.
Учитывая космологический принцип, закон Хаббла предполагал, что Вселенная расширяется. Было предложено два основных объяснения расширения. Одной из них была теория Большого взрыва Леметра, которую отстаивал и развивал Георгий Гамов. Другим объяснением была модель устойчивого состояния Фреда Хойла , в которой новая материя создается по мере удаления галактик друг от друга. В этой модели Вселенная примерно одинакова в любой момент времени. [16] [17]
В течение ряда лет поддержка этих теорий разделялась поровну. Однако данные наблюдений начали поддерживать идею о том, что Вселенная развилась из горячего и плотного состояния. Открытие космического микроволнового фона в 1965 году оказало мощную поддержку модели Большого взрыва [17] , а после точных измерений космического микроволнового фона с помощью Cosmic Background Explorer в начале 1990-х годов лишь немногие космологи всерьез предложили другие теории Происхождение и эволюция космоса. Одним из следствий этого является то, что в стандартной общей теории относительности Вселенная началась с сингулярности , как продемонстрировали Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг в 1960-х годах. [18]
Была представлена альтернативная точка зрения на расширение модели Большого взрыва, предполагающая, что у Вселенной не было начала или сингулярности, а возраст Вселенной бесконечен. [19] [20] [21]
В сентябре 2023 года астрофизики поставили под сомнение общую текущую картину Вселенной в форме Стандартной модели космологии , основанной на последних исследованиях космического телескопа Джеймса Уэбба . [22]
Легчайшие химические элементы , прежде всего водород и гелий , были созданы во время Большого взрыва в процессе нуклеосинтеза . [23] В последовательности реакций звездного нуклеосинтеза меньшие атомные ядра затем объединяются в более крупные атомные ядра, в конечном итоге образуя стабильные элементы группы железа , такие как железо и никель , которые имеют самые высокие энергии ядерной связи . [24] Итоговый процесс приводит к более позднему высвобождению энергии , то есть после Большого Взрыва. [25] Такие реакции ядерных частиц могут привести к внезапным выбросам энергии из катаклизмических переменных звезд, таких как новые . Гравитационный коллапс материи в черные дыры также приводит в действие наиболее энергетические процессы, обычно наблюдаемые в ядерных областях галактик, образующие квазары и активные галактики .
Космологи не могут точно объяснить все космические явления, например, связанные с ускоряющимся расширением Вселенной , используя обычные формы энергии . Вместо этого космологи предлагают новую форму энергии, называемую темной энергией , которая пронизывает все пространство. [26] Одна из гипотез заключается в том, что темная энергия — это просто энергия вакуума , компонент пустого пространства, который связан с виртуальными частицами , существующими из-за принципа неопределенности . [27]
Не существует четкого способа определить полную энергию во Вселенной, используя наиболее широко распространенную теорию гравитации — общую теорию относительности. Поэтому остается спорным вопрос о том, сохраняется ли полная энергия в расширяющейся Вселенной. Например, каждый фотон , путешествующий через межгалактическое пространство, теряет энергию из-за эффекта красного смещения . Эта энергия не передается никакой другой системе, поэтому кажется, что она безвозвратно потеряна. С другой стороны, некоторые космологи настаивают на том, что энергия в некотором смысле сохраняется; это следует закону сохранения энергии . [28]
В космосе могут доминировать различные формы энергии: релятивистские частицы , называемые излучением , или нерелятивистские частицы, называемые материей. Релятивистские частицы — это частицы, масса покоя которых равна нулю или незначительна по сравнению с их кинетической энергией , и поэтому движутся со скоростью света или очень близко к ней; нерелятивистские частицы имеют массу покоя, намного превышающую их энергию, и поэтому движутся намного медленнее скорости света.
По мере расширения Вселенной материя и излучение становятся разбавленными. Однако плотности энергии излучения и вещества уменьшаются с разной скоростью. При расширении определенного объема плотность массы-энергии изменяется только за счет увеличения объема, но плотность энергии излучения изменяется как за счет увеличения объема, так и за счет увеличения длины волны составляющих его фотонов. Таким образом, энергия излучения становится меньшей частью общей энергии Вселенной, чем энергия материи по мере ее расширения. Говорят, что в самой ранней Вселенной «доминировало излучение», и излучение контролировало замедление расширения. Позже, когда средняя энергия фотона становится примерно 10 эВ и ниже, материя определяет скорость замедления, и говорят, что во Вселенной «доминирует материя». Промежуточный случай плохо трактуется аналитически . По мере продолжения расширения Вселенной материя разжижается еще больше, и космологическая постоянная становится доминирующей, что приводит к ускорению расширения Вселенной.
История Вселенной является центральным вопросом космологии. История Вселенной разделена на различные периоды, называемые эпохами, в соответствии с доминирующими силами и процессами в каждом периоде. Стандартная космологическая модель известна как модель Lambda-CDM .
В рамках стандартной космологической модели уравнения движения, управляющие Вселенной в целом, выводятся из общей теории относительности с небольшой положительной космологической постоянной. [29] Решение — расширяющаяся Вселенная; из-за этого расширения излучение и материя во Вселенной остывают и разбавляются. Сначала расширение замедляется гравитацией, притягивающей излучение и материю Вселенной. Однако по мере того, как они разбавляются, космологическая постоянная становится более доминирующей, и расширение Вселенной начинает ускоряться, а не замедляться. В нашей Вселенной это произошло миллиарды лет назад. [30]
В самые ранние моменты существования Вселенной средняя плотность энергии была очень высокой, что делало знание физики элементарных частиц критически важным для понимания этой среды. Следовательно, процессы рассеяния и распада нестабильных элементарных частиц важны для космологических моделей этого периода.
Как правило, процесс рассеяния или распада космологически важен в определенную эпоху, если временной масштаб, описывающий этот процесс, меньше или сравним с временным масштабом расширения Вселенной. [ необходимы разъяснения ] Временная шкала, описывающая расширение Вселенной, соответствует параметру Хаббла , который меняется со временем. Временной масштаб расширения примерно равен возрасту Вселенной в каждый момент времени.
Наблюдения показывают, что Вселенная возникла около 13,8 миллиардов лет назад. [31] С тех пор эволюция Вселенной прошла три фазы. Самая ранняя Вселенная, которая до сих пор плохо изучена, представляла собой долю секунды, в течение которой Вселенная была настолько горячей, что частицы имели энергии выше, чем те, которые в настоящее время доступны в ускорителях частиц на Земле. Таким образом, хотя основные черты этой эпохи были разработаны в теории Большого взрыва, детали во многом основаны на обоснованных предположениях. После этого в ранней Вселенной эволюция Вселенной протекала в соответствии с известной физикой высоких энергий . Именно тогда образовались первые протоны, электроны и нейтроны, затем ядра и, наконец, атомы. При образовании нейтрального водорода возникло излучение космического микроволнового фона . Наконец, началась эпоха структурообразования, когда материя начала объединяться в первые звезды и квазары , а в конечном итоге образовались галактики, скопления галактик и сверхскопления . Будущее Вселенной еще точно не известно, но, согласно модели ΛCDM , она будет продолжать расширяться вечно.
Ниже в примерно хронологическом порядке описаны некоторые из наиболее активных областей исследований в космологии. Сюда не входит вся космология Большого взрыва, представленная в «Хронологии Большого взрыва» .
Ранняя горячая Вселенная, по-видимому, хорошо объясняется Большим взрывом, начавшимся примерно с 10–33 секунды , но есть несколько проблем . Во-первых, с точки зрения современной физики элементарных частиц не существует убедительной причины, по которой Вселенная была бы плоской , однородной и изотропной (см. космологический принцип ) . Более того, теории великого объединения физики элементарных частиц предполагают, что во Вселенной должны существовать магнитные монополи , которые до сих пор не обнаружены. Эти проблемы решаются кратким периодом космической инфляции , которая приводит Вселенную к плоскому состоянию , сглаживает анизотропии и неоднородности до наблюдаемого уровня и экспоненциально разбавляет монополи. [32] Физическая модель космической инфляции чрезвычайно проста, но она еще не подтверждена физикой элементарных частиц, и существуют трудные проблемы, связанные с согласованием инфляции и квантовой теорией поля . [ неопределенно ] Некоторые космологи полагают, что теория струн и космология бран предоставят альтернативу инфляции. [33]
Другая серьезная проблема в космологии заключается в том, почему во Вселенной содержится гораздо больше материи, чем антиматерии . Космологи могут путем наблюдений сделать вывод, что Вселенная не разделена на области материи и антиматерии. Если бы это было так, то в результате аннигиляции возникли бы рентгеновские лучи и гамма-лучи , но этого не наблюдается. Следовательно, какой-то процесс в ранней Вселенной должен был создать небольшой избыток материи над антиматерией, и этот (в настоящее время непонятный) процесс называется бариогенезом . Три необходимых условия для бариогенеза были выведены Андреем Сахаровым в 1967 году и требуют нарушения симметрии физики элементарных частиц , называемой CP-симметрией , между веществом и антивеществом. [34] Однако ускорители частиц измеряют слишком малое нарушение CP-симметрии, чтобы объяснить барионную асимметрию. Космологи и физики элементарных частиц ищут дополнительные нарушения CP-симметрии в ранней Вселенной, которые могли бы объяснить барионную асимметрию. [35]
Обе проблемы бариогенеза и космической инфляции очень тесно связаны с физикой элементарных частиц, и их решение может быть достигнуто с помощью теории высоких энергий и экспериментов , а не посредством наблюдений за Вселенной. [ предположение? ]
Нуклеосинтез Большого Взрыва — это теория образования элементов в ранней Вселенной. Оно завершилось, когда Вселенной было около трех минут, и ее температура упала ниже температуры, при которой мог произойти ядерный синтез . Нуклеосинтез Большого Взрыва имел короткий период времени, в течение которого он мог работать, поэтому были произведены только самые легкие элементы. Начиная с ионов водорода ( протонов ), он в основном производил дейтерий , гелий-4 и литий . Остальные элементы производились лишь в следовых количествах. Основная теория нуклеосинтеза была разработана в 1948 Джорджем Гамовым , Ральфом Ашером Альфером и Робертом Херманом . [36] В течение многих лет он использовался в качестве исследования физики во времена Большого взрыва, поскольку теория нуклеосинтеза Большого взрыва связывает обилие первичных легких элементов с особенностями ранней Вселенной. [23] В частности, его можно использовать для проверки принципа эквивалентности , [37] для исследования темной материи и проверки физики нейтрино . [38] Некоторые космологи предположили, что нуклеосинтез Большого взрыва предполагает существование четвертого «стерильного» вида нейтрино. [39]
Модель ΛCDM ( Лямбда-холодная темная материя ) или модель Лямбда-CDM представляет собой параметризацию космологической модели Большого взрыва, в которой Вселенная содержит космологическую константу, обозначаемую Лямбда ( греч. Λ ), связанную с темной энергией и холодной темной материей (сокращенно ЦДМ ). Ее часто называют стандартной моделью космологии Большого взрыва. [40] [41]
Космический микроволновый фон — это излучение, оставшееся от развязки после эпохи рекомбинации , когда впервые образовались нейтральные атомы. В этот момент излучение, возникшее в результате Большого взрыва, остановило томсоновское рассеяние на заряженных ионах. Излучение, впервые наблюдавшееся в 1965 году Арно Пензиасом и Робертом Вудро Вильсоном , имеет идеальный тепловой спектр черного тела . Сегодня его температура составляет 2,7 Кельвина , и он изотропен до одной части 10 5 . Космологическая теория возмущений , описывающая эволюцию небольших неоднородностей в ранней Вселенной, позволила космологам точно рассчитать угловой спектр мощности излучения, и он был измерен в недавних спутниковых экспериментах ( COBE и WMAP ) [42] и многих других . наземные эксперименты и эксперименты на воздушных шарах (такие как градусно-угловой интерферометр , космический фоновый сканер и бумеранг ). [43] Одной из целей этих усилий является измерение основных параметров модели Lambda-CDM с возрастающей точностью, а также проверка предсказаний модели Большого взрыва и поиск новой физики. Например, результаты измерений, проведенных WMAP, наложили ограничения на массы нейтрино. [44]
Новые эксперименты, такие как QUIET и Атакамский космологический телескоп , пытаются измерить поляризацию космического микроволнового фона. [45] Ожидается, что эти измерения дадут дальнейшее подтверждение теории, а также информацию о космической инфляции и так называемых вторичных анизотропиях, [46] таких как эффект Сюняева-Зельдовича и эффект Сакса-Вольфа , которые вызвано взаимодействием галактик и скоплений с космическим микроволновым фоном. [47] [48]
17 марта 2014 года астрономы Коллаборации BICEP2 объявили об очевидном обнаружении поляризации B - моды реликтового излучения, которая считается свидетельством существования первичных гравитационных волн , которые, согласно теории инфляции , должны возникнуть на самой ранней фазе Большого взрыва. [9] [10] [11] [49] Однако позже в том же году коллаборация «Планк» провела более точные измерения космической пыли и пришла к выводу, что сигнал B-моды от пыли имеет ту же силу, что и сигнал BICEP2. [50] [51] 30 января 2015 года был опубликован совместный анализ данных BICEP2 и Planck , и Европейское космическое агентство объявило, что сигнал можно полностью отнести к межзвездной пыли в Млечном Пути. [52]
Понимание формирования и эволюции крупнейших и самых ранних структур (т.е. квазаров, галактик, скоплений и сверхскоплений ) является одним из крупнейших усилий в космологии. Космологи изучают модель формирования иерархической структуры , в которой структуры формируются снизу вверх, причем первыми формируются более мелкие объекты, в то время как самые крупные объекты, такие как сверхскопления, все еще собираются. [53] Одним из способов изучения структуры Вселенной является исследование видимых галактик с целью построения трехмерной картины галактик во Вселенной и измерения спектра мощности материи . Это подход Слоановского цифрового обзора неба и обзора красного смещения галактики 2dF . [54] [55]
Еще одним инструментом для понимания структурообразования является моделирование, которое космологи используют для изучения гравитационного скопления материи во Вселенной, когда она группируется в волокна , сверхскопления и пустоты . Большинство симуляций содержат только небарионную холодную темную материю , которой должно быть достаточно для понимания Вселенной в крупнейших масштабах, поскольку во Вселенной гораздо больше темной материи, чем видимой барионной материи. Более продвинутые модели начинают включать барионы и изучать формирование отдельных галактик. Космологи изучают эти симуляции, чтобы увидеть, согласуются ли они с исследованиями галактик, и понять любые несоответствия. [56]
Другие дополнительные наблюдения по измерению распределения материи в далекой Вселенной и исследованию реионизации включают:
Это поможет космологам решить вопрос о том, когда и как во Вселенной сформировалась структура.
Данные нуклеосинтеза Большого взрыва , космического микроволнового фона , формирования структур и кривых вращения галактик позволяют предположить, что около 23% массы Вселенной состоит из небарионной темной материи, тогда как только 4% состоит из видимой барионной материи . Гравитационные эффекты темной материи хорошо изучены, поскольку она ведет себя как холодная, неизлучающая жидкость, образующая ореолы вокруг галактик. Темная материя никогда не была обнаружена в лаборатории, и физическая природа темной материи остается совершенно неизвестной. Без наблюдательных ограничений существует ряд кандидатов, таких как стабильная суперсимметричная частица, слабо взаимодействующая массивная частица , гравитационно-взаимодействующая массивная частица, аксион и массивный компактный объект гало . Альтернативы гипотезе темной материи включают модификацию гравитации при малых ускорениях ( МОНД ) или эффект космологии бран. TeVeS — это версия MOND, которая может объяснить гравитационное линзирование. [60]
Если Вселенная плоская , то должен существовать дополнительный компонент, составляющий 73% (помимо 23% темной материи и 4% барионов) плотности энергии Вселенной. Это называется темная энергия. Чтобы не мешать нуклеосинтезу Большого взрыва и космическому микроволновому фону, он не должен группироваться в ореолы, подобно барионам и темной материи. Существуют убедительные наблюдательные доказательства существования темной энергии, поскольку полная плотность энергии Вселенной известна через ограничения на плоскостность Вселенной, но количество кластеризующейся материи тщательно измеряется и намного меньше этого значения. Аргументы в пользу темной энергии усилились в 1999 году, когда измерения показали, что расширение Вселенной начало постепенно ускоряться. [61]
Помимо ее плотности и свойств кластеризации, о темной энергии ничего не известно. Квантовая теория поля предсказывает космологическую постоянную (CC), очень похожую на темную энергию, но на 120 порядков большую, чем наблюдаемая. [62] Стивен Вайнберг и ряд теоретиков струн (см. струнный ландшафт ) ссылаются на «слабый антропный принцип »: т.е. причина, по которой физики наблюдают Вселенную с такой маленькой космологической постоянной, заключается в том, что никакие физики (или любая жизнь) не могут существовать. во Вселенной с большей космологической постоянной. Многие космологи находят это объяснение неудовлетворительным: возможно, потому, что, хотя слабый антропный принцип самоочевиден (учитывая, что существуют живые наблюдатели, должна существовать по крайней мере одна вселенная с космологической постоянной, допускающей существование жизни), он не пытается объяснить контекст этой вселенной. [63] Например, сам по себе слабый антропный принцип не различает:
Другие возможные объяснения темной энергии включают квинтэссенцию [64] или модификацию гравитации в крупнейших масштабах. [65] Влияние темной энергии на космологию, которое описывают эти модели, определяется уравнением состояния темной энергии , которое варьируется в зависимости от теории. Природа темной энергии — одна из самых сложных проблем космологии.
Лучшее понимание темной энергии, вероятно, решит проблему окончательной судьбы Вселенной . В нынешнюю космологическую эпоху ускоренное расширение из-за темной энергии препятствует формированию структур, больших, чем сверхскопления . Неизвестно, будет ли ускорение продолжаться бесконечно, возможно, даже увеличиваясь до большого разрыва , или оно в конечном итоге развернется, приведет к Большому замораживанию или последует какому-то другому сценарию. [66]
Гравитационные волны — это рябь искривления пространства - времени , распространяющаяся как волны со скоростью света, генерируемая в результате определенных гравитационных взаимодействий, распространяющихся наружу от своего источника. Гравитационно-волновая астрономия — это развивающаяся отрасль наблюдательной астрономии , целью которой является использование гравитационных волн для сбора данных наблюдений об источниках обнаруживаемых гравитационных волн, таких как двойные звездные системы, состоящие из белых карликов , нейтронных звезд и черных дыр ; и такие события, как сверхновые и образование ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва. [67]
В 2016 году команды LIGO Scientific Collaboration и Virgo Collaboration объявили, что они впервые наблюдали гравитационные волны , исходящие от пары сливающихся черных дыр , с помощью детекторов Advanced LIGO. [68] [69] [70] 15 июня 2016 года было объявлено о втором обнаружении гравитационных волн от сливающихся черных дыр. [71] Помимо LIGO, строятся многие другие гравитационно-волновые обсерватории (детекторы) . [72]
Космологи также изучают:
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь )CS1 maint: DOI inactive as of January 2024 (link)(подзаголовок) Может ли космическая инфляция быть признаком того, что наша Вселенная находится в гораздо более обширном мире?