Наблюдения показывают, что расширение Вселенной ускоряется , так что скорость , с которой далекая галактика удаляется от наблюдателя, непрерывно увеличивается со временем. [1] [2] [3] Ускоренное расширение Вселенной было обнаружено в 1998 году двумя независимыми проектами, Supernova Cosmology Project и High-Z Supernova Search Team , которые использовали далекие сверхновые типа Ia для измерения ускорения. [4] [5] [6] Идея заключалась в том, что поскольку сверхновые типа Ia имеют почти одинаковую внутреннюю яркость ( стандартная свеча ), и поскольку объекты, которые находятся дальше, кажутся более тусклыми, наблюдаемую яркость этих сверхновых можно использовать для измерения расстояния до них. Затем расстояние можно сравнить с космологическим красным смещением сверхновой , которое измеряет, насколько Вселенная расширилась с момента возникновения сверхновой; закон Хаббла установил, что чем дальше объект, тем быстрее он удаляется. Неожиданным результатом стало то, что объекты во Вселенной удаляются друг от друга с ускорением. Космологи в то время ожидали, что скорость разбегания всегда будет замедляться из-за гравитационного притяжения материи во Вселенной. Три члена этих двух групп впоследствии были удостоены Нобелевских премий за свое открытие. [7] Подтверждающие доказательства были найдены в барионных акустических колебаниях и в анализе кластеризации галактик.
Считается, что ускоренное расширение Вселенной началось с тех пор, как Вселенная вступила в эпоху доминирования темной энергии примерно 5 миллиардов лет назад. [8] [примечания 1] В рамках общей теории относительности ускоренное расширение можно объяснить положительным значением космологической постоянной Λ , эквивалентным наличию положительной энергии вакуума , называемой « темной энергией ». Хотя существуют альтернативные возможные объяснения, описание, предполагающее темную энергию (положительную Λ ), используется в стандартной модели космологии , которая также включает холодную темную материю (CDM) и известна как модель Lambda-CDM .
За десятилетия, прошедшие с момента обнаружения космического микроволнового фона (CMB) в 1965 году [9] , модель Большого взрыва стала наиболее принятой моделью, объясняющей эволюцию нашей Вселенной. Уравнение Фридмана определяет, как энергия во Вселенной управляет ее расширением.
где κ представляет собой кривизну Вселенной , a ( t ) - масштабный коэффициент , ρ - полная плотность энергии Вселенной, а H - параметр Хаббла . [10]
Критическая плотность определяется как
Параметр Хаббла тогда можно переписать как
где четыре предполагаемых в настоящее время вклада в плотность энергии Вселенной — это кривизна , материя , излучение и темная энергия . [11] Каждый из компонентов уменьшается с расширением Вселенной (увеличением масштабного фактора), за исключением, возможно, члена темной энергии. Именно значения этих космологических параметров физики используют для определения ускорения Вселенной.
Уравнение ускорения описывает изменение масштабного фактора со временем.
где давление P определяется выбранной космологической моделью. (см. пояснительные модели )
Физики одно время были настолько уверены в замедлении расширения Вселенной, что ввели так называемый параметр замедления q 0 . [12] Недавние наблюдения показывают, что этот параметр замедления отрицателен.
Согласно теории космической инфляции , очень ранняя вселенная прошла период очень быстрого, квазиэкспоненциального расширения. Хотя временная шкала этого периода расширения была намного короче, чем у существующего расширения, это был период ускоренного расширения с некоторыми сходствами с текущей эпохой.
Определение "ускоряющегося расширения" заключается в том, что вторая производная по времени космического масштабного фактора, , положительна, что эквивалентно параметру замедления , , отрицательному. Однако следует отметить, что это не означает, что параметр Хаббла увеличивается со временем. Поскольку параметр Хаббла определяется как , из определений следует, что производная параметра Хаббла задается выражением
поэтому параметр Хаббла уменьшается со временем, если только . Наблюдения предпочитают , что подразумевает, что положительно, но отрицательно. По сути, это означает, что скорость космической рецессии любой конкретной галактики увеличивается со временем, но ее отношение скорости к расстоянию все еще уменьшается; таким образом, различные галактики, расширяющиеся по сфере фиксированного радиуса, пересекают сферу медленнее в более поздние моменты времени.
Из вышеизложенного видно, что случай «нулевого ускорения/замедления» соответствует является линейной функцией от , , , и .
Скорость расширения Вселенной можно проанализировать, используя зависимость величины от красного смещения астрономических объектов с использованием стандартных свечей , или зависимость их расстояния от красного смещения с использованием стандартных линеек . Также фактором является рост крупномасштабной структуры , обнаруживая, что наблюдаемые значения космологических параметров лучше всего описываются моделями, которые включают ускоряющееся расширение.
В 1998 году первые доказательства ускорения были получены в результате наблюдения за сверхновыми типа Ia , которые представляют собой взрывающиеся белые карликовые звезды, превысившие свой предел стабильности . Поскольку все они имеют схожие массы, их собственную светимость можно стандартизировать. Повторные изображения выбранных областей неба используются для обнаружения сверхновых, затем последующие наблюдения дают их пиковую яркость, которая преобразуется в величину, известную как расстояние светимости (подробнее см. в разделе Меры расстояния в космологии ). [13] Спектральные линии их света можно использовать для определения их красного смещения .
Для сверхновых при красном смещении менее 0,1 или времени прохождения света менее 10 процентов от возраста Вселенной это дает почти линейную зависимость расстояния от красного смещения из-за закона Хаббла . На больших расстояниях, поскольку скорость расширения Вселенной изменилась с течением времени, зависимость расстояния от красного смещения отклоняется от линейной, и это отклонение зависит от того, как скорость расширения изменилась с течением времени. Полный расчет требует компьютерной интеграции уравнения Фридмана, но простой вывод может быть дан следующим образом: красное смещение z напрямую дает космический масштабный фактор во время взрыва сверхновой.
Таким образом, сверхновая с измеренным красным смещением z = 0,5 подразумевает, что Вселенная была 1/1 + 0,5 = 2/3 от ее нынешнего размера, когда взорвалась сверхновая. В случае ускоренного расширения положительно; следовательно, было меньше в прошлом, чем сегодня. Таким образом, ускоряющейся Вселенной потребовалось больше времени, чтобы расшириться от 2/3 до 1 от ее нынешнего размера, по сравнению с неускоряющейся Вселенной с постоянным и тем же самым современным значением постоянной Хаббла. Это приводит к большему времени распространения света, большему расстоянию и более слабым сверхновым, что соответствует фактическим наблюдениям. Адам Рисс и др. обнаружили, что «расстояния сверхновой Ia с высоким красным смещением были в среднем на 10–15 % дальше, чем ожидалось во Вселенной с низкой плотностью массы Ω M = 0,2 без космологической постоянной». [14] Это означает, что измеренные расстояния с высоким красным смещением были слишком большими по сравнению с близлежащими для замедляющейся Вселенной. [15]
Несколько исследователей подвергли сомнению мнение большинства относительно ускорения или предположения о « космологическом принципе » (что Вселенная однородна и изотропна). [16] Например, в статье 2019 года был проанализирован каталог сверхновых типа Ia, созданный в результате совместного анализа световых кривых, содержащий в десять раз больше сверхновых, чем было использовано в анализах 1998 года, и сделан вывод о том, что существует мало доказательств «монополя», то есть изотропного ускорения во всех направлениях. [17] [18] См. также раздел «Альтернативные теории» ниже.
В ранней Вселенной, до того как произошла рекомбинация и разделение , фотоны и материя существовали в первичной плазме . Точки более высокой плотности в фотонно-барионной плазме сжимались, сжимаясь под действием гравитации, пока давление не становилось слишком большим, и они снова расширялись. [12] Это сжатие и расширение создавало колебания в плазме, аналогичные звуковым волнам . Поскольку темная материя взаимодействует только гравитационно , она оставалась в центре звуковой волны, источнике первоначальной сверхплотности. Когда произошло разделение, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, [19] 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 сверхплотностей темной материи, на расстоянии, известном как звуковой горизонт. Со временем и расширением Вселенной именно на этих неоднородностях плотности материи начали формироваться галактики. Таким образом, рассматривая расстояния, на которых галактики с разным красным смещением склонны группироваться, можно определить стандартное угловое расстояние диаметра и использовать его для сравнения с расстояниями, предсказываемыми 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 [11] ( где h — безразмерная постоянная Хаббла ), указывающие на то, что это размер звукового горизонта сегодня, и сравнивая его со звуковым горизонтом во время разделения (с использованием реликтового излучения), мы можем подтвердить ускоренное расширение Вселенной. [20]
Измерение массовых функций скоплений галактик , которые описывают плотность числа скоплений выше пороговой массы, также дает доказательства темной энергии [ необходимы дополнительные пояснения ] . [21] Сравнивая эти массовые функции при высоких и низких красных смещениях с теми, которые предсказываются различными космологическими моделями, получают значения для w и Ω m , которые подтверждают низкую плотность материи и ненулевое количество темной энергии. [15]
Имея космологическую модель с определенными значениями параметров космологической плотности, можно интегрировать уравнения Фридмана и вывести возраст Вселенной.
Сравнивая это с фактическими измеренными значениями космологических параметров, мы можем подтвердить справедливость модели, которая сейчас ускоряется, а в прошлом имела более медленное расширение. [15]
Недавние открытия гравитационных волн с помощью LIGO и VIRGO [22] [23] [24] не только подтвердили предсказания Эйнштейна, но и открыли новое окно во вселенную. Эти гравитационные волны могут работать как своего рода стандартные сирены для измерения скорости расширения вселенной. Эббот и др. в 2017 году измерили значение постоянной Хаббла, которое составило приблизительно 70 километров в секунду на мегапарсек. [22] Амплитуды деформации «h» зависят от масс объектов, вызывающих волны, расстояний от точки наблюдения и частот обнаружения гравитационных волн. Связанные с этим меры расстояния зависят от космологических параметров, таких как постоянная Хаббла для близлежащих объектов [22], и будут зависеть от других космологических параметров, таких как плотность темной энергии, плотность материи и т. д. для удаленных источников. [25] [24]
Важнейшим свойством темной энергии является то, что она обладает отрицательным давлением (отталкивающим действием), которое относительно однородно распределено в пространстве.
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 заключается в том, что она является космологической постоянной или энергией вакуума ; в этом случае w = −1 . Это приводит к модели Lambda-CDM , которая с 2003 года и по настоящее время известна как Стандартная модель космологии, поскольку это самая простая модель, хорошо согласующаяся с рядом недавних наблюдений. Рисс и др. обнаружили, что их результаты наблюдений сверхновых благоприятствуют расширяющимся моделям с положительной космологической постоянной ( Ω λ > 0 ) и ускоренным расширением ( q 0 < 0 ). [14]
Эти наблюдения допускают возможность космологической модели, содержащей компонент темной энергии с уравнением состояния w < −1 . Эта фантомная плотность энергии станет бесконечной за конечное время, вызывая такое огромное гравитационное отталкивание, что Вселенная потеряет всю структуру и закончится Большим Разрывом . [26] Например, для w = − 3/2 и H 0 =70 км·с −1 ·Мпк −1 , время, оставшееся до конца Вселенной в этом Большом Разрыве, составляет 22 миллиарда лет. [27]
Существует множество альтернативных объяснений ускоряющейся Вселенной. Некоторые примеры — квинтэссенция , предлагаемая форма темной энергии с непостоянным уравнением состояния, плотность которой уменьшается со временем. Космология отрицательной массы не предполагает, что плотность массы Вселенной положительна (как это делается в наблюдениях за сверхновыми), а вместо этого находит отрицательную космологическую постоянную. Бритва Оккама также предполагает, что это «более экономная гипотеза». [28] [29] Темная жидкость — альтернативное объяснение ускоряющегося расширения, которое пытается объединить темную материю и темную энергию в единую структуру. [30] В качестве альтернативы некоторые авторы утверждают, что ускоренное расширение Вселенной может быть вызвано отталкивающим гравитационным взаимодействием антиматерии [31] [32] [33] или отклонением законов гравитации от общей теории относительности, таким как массивная гравитация , что означает, что сами гравитоны имеют массу. [34] Измерение скорости гравитации с помощью гравитационно-волнового события GW170817 исключило многие модифицированные теории гравитации как альтернативные объяснения темной энергии. [35] [36] [37] Другой тип модели, гипотеза обратной реакции, [38] [39] был предложен космологом Сюкси Рясяненом: [40] скорость расширения не является однородной, но Земля находится в области, где расширение происходит быстрее, чем фон. Неоднородности в ранней Вселенной вызывают образование стенок и пузырей, где внутри пузыря меньше материи, чем в среднем. Согласно общей теории относительности, пространство менее искривлено, чем на стенках, и, таким образом, кажется, имеет больший объем и более высокую скорость расширения. В более плотных областях расширение замедляется более сильным гравитационным притяжением. Поэтому внутренний коллапс более плотных областей выглядит так же, как ускоряющееся расширение пузырей, что приводит нас к выводу, что Вселенная претерпевает ускоренное расширение. [41] Преимущество в том, что это не требует никакой новой физики, такой как темная энергия. Рясянен не считает модель вероятной, но без какой-либо фальсификации она должна оставаться возможностью. Для работы потребуются довольно большие флуктуации плотности (20%). [40]
Последняя возможность заключается в том, что темная энергия — это иллюзия, вызванная некоторой погрешностью измерений. 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 ускорение. [42] [43] [44] [45] Другой подход использует космологическое расширение принципа эквивалентности , чтобы показать, как пространство может казаться расширяющимся быстрее в пустотах, окружающих наше локальное скопление. Хотя такие эффекты слабы, такие эффекты, рассматриваемые кумулятивно в течение миллиардов лет, могут стать значительными, создавая иллюзию космического ускорения и создавая впечатление, что мы живем в пузыре Хаббла . [46] [47] [48] Другие возможности заключаются в том, что ускоренное расширение Вселенной — это иллюзия, вызванная относительным движением нас к остальной части Вселенной, [49] [50] или что размер использованной выборки сверхновых был недостаточно большим. [51] [52]
По мере расширения Вселенной плотность излучения и обычной темной материи уменьшается быстрее, чем плотность темной энергии (см. уравнение состояния ), и в конечном итоге темная энергия начинает доминировать. 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 ). [12]
В моделях, где темная энергия является космологической постоянной, Вселенная будет расширяться экспоненциально со временем в далеком будущем, приближаясь все ближе и ближе к Вселенной Де Ситтера . Это в конечном итоге приведет к исчезновению всех доказательств Большого взрыва, поскольку космический микроволновый фон сместится в красную сторону к более низкой интенсивности и более длинным волнам. В конце концов, его частота станет достаточно низкой, чтобы он был поглощен межзвездной средой и, таким образом, будет экранирован от любого наблюдателя в галактике. Это произойдет, когда Вселенная будет менее чем в 50 раз старше ее существующего возраста, что приведет к концу любой жизни, поскольку далекая Вселенная станет темной. [53]
Постоянно расширяющаяся вселенная с ненулевой космологической постоянной имеет плотность массы, уменьшающуюся со временем. При таком сценарии подразумевается, что вся материя ионизуется и распадается на изолированные стабильные частицы, такие как электроны и нейтрино , при этом все сложные структуры рассеиваются. [54] Это называется « тепловой смертью вселенной » (или Большим замораживанием ).
Альтернативы окончательной судьбы Вселенной включают в себя Большой Разрыв, упомянутый выше, Большой Отскок или Большое Сжатие .
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)