Расширение Вселенной

Увеличение расстояния между частями Вселенной с течением времени

Расширение Вселенной — это увеличение расстояния между гравитационно несвязанными частями наблюдаемой Вселенной со временем. ^[1] Это внутреннее расширение, поэтому оно не означает, что Вселенная расширяется «во что-либо» или что пространство существует «вне» нее. Для любого наблюдателя во Вселенной кажется, что все, кроме ближайших галактик (которые связаны друг с другом гравитацией), удаляются со скоростью, которая в среднем пропорциональна их расстоянию от наблюдателя . Хотя объекты не могут двигаться быстрее света , это ограничение применяется только по отношению к локальным системам отсчета и не ограничивает скорости удаления космологически далеких объектов.

Космическое расширение является ключевой особенностью космологии Большого взрыва . Его можно математически смоделировать с помощью метрики Фридмана–Лемэтра–Робертсона–Уокера (FLRW), где оно соответствует увеличению масштаба пространственной части метрического тензора пространства-времени Вселенной (который управляет размером и геометрией пространства-времени). В рамках этой структуры разделение объектов с течением времени связано с расширением самого пространства. Однако это не общековариантное описание, а скорее всего лишь выбор координат . Вопреки распространенному заблуждению, в равной степени допустимо принять описание, в котором пространство не расширяется, а объекты просто разъезжаются, находясь под влиянием их взаимной гравитации. ^{[2] [3] [4]} Хотя космическое расширение часто оформляется как следствие общей теории относительности , оно также предсказывается ньютоновской гравитацией . ^{[5] [6]}

Согласно теории инфляции , в течение инфляционной эпохи примерно через 10−32 ^{секунды} после Большого взрыва Вселенная внезапно расширилась, и ее объем увеличился по меньшей мере в 1078 раз ⁽ расширение расстояния по меньшей мере в 1026 раз ^в каждом из трех измерений). Это было бы эквивалентно расширению объекта на 1  нанометр в поперечнике (10 ⁻⁹  м , что примерно равно половине ширины молекулы ДНК ) до приблизительно 10,6  световых лет в поперечнике (около10 ¹⁷  м , или 62 триллиона миль). Космическое расширение впоследствии замедлилось до гораздо более медленных темпов, пока примерно через 9,8 миллиарда лет после Большого взрыва (4 миллиарда лет назад) оно не начало постепенно расширяться быстрее , и все еще продолжает это делать. Физики постулировали существование темной энергии , появляющейся как космологическая константа в простейших гравитационных моделях, как способ объяснить это позднее ускорение. Согласно простейшей экстраполяции нынешней предпочитаемой космологической модели, модели Лямбда-CDM , это ускорение станет доминирующим в будущем.

История

В 1912–1914 годах Весто М. Слайфер обнаружил, что свет от далеких галактик смещается в красную область спектра , ^{[7] [8]} явление, которое позже было интерпретировано как удаление галактик от Земли. В 1922 году Александр Фридман использовал уравнения поля Эйнштейна для получения теоретических доказательств того, что Вселенная расширяется. ^[9]

Шведский астроном Кнут Лундмарк был первым человеком, который обнаружил наблюдательные доказательства расширения в 1924 году. По словам Яна Стира из NASA/IPAC Extragalactic Database of Galaxy Distances, «оценки внегалактических расстояний Лундмарка были гораздо точнее, чем оценки Хаббла, и соответствовали скорости расширения (постоянной Хаббла), которая находилась в пределах 1% от лучших измерений на сегодняшний день». ^[10]

В 1927 году Жорж Леметр независимо от Фридмана пришел к выводу, аналогичному выводу Фридмана, на теоретической основе, а также представил наблюдательные доказательства линейной зависимости между расстоянием до галактик и скоростью их удаления . ^[11] Эдвин Хаббл наблюдательно подтвердил выводы Лундмарка и Леметра в 1929 году. ^[12] Если предположить космологический принцип , эти выводы подразумевали бы, что все галактики удаляются друг от друга.

Астроном Вальтер Бааде пересчитал размер известной Вселенной в 1940-х годах, удвоив предыдущий расчет, сделанный Хабблом в 1929 году. ^{[13] [14] [15]} Он объявил об этом открытии к немалому удивлению на заседании Международного астрономического союза в Риме в 1952 году. На протяжении большей части второй половины 20-го века значение постоянной Хаббла оценивалось между50 и 90 км⋅с ⁻¹ ⋅ Мпк ⁻¹ .

13 января 1994 года НАСА официально объявило о завершении ремонта, связанного с главным зеркалом космического телескопа Хаббл , что позволило получать более четкие изображения и, следовательно, проводить более точный анализ наблюдений. ^[16] Вскоре после того, как ремонт был завершен, в рамках Ключевого проекта Венди Фридман 1994 года была проанализирована скорость удаления M100 от ядра скопления Девы , что позволило измерить постоянную Хаббла80 ± 17 км⋅с ⁻¹ ⋅Мпк ⁻¹ . ^[17] Позже в том же году Адам Рисс и др. использовали эмпирический метод форм кривых блеска в визуальном диапазоне для более точной оценки светимости сверхновых типа Ia . Это еще больше минимизировало систематические ошибки измерения постоянной Хаббла, чтобы67 ± 7 км⋅с ⁻¹ ⋅Мпк ⁻¹ . Измерения Рейсса скорости удаления близлежащего скопления Девы более точно согласуются с последующими и независимыми анализами калибровок переменных цефеид сверхновой типа Ia , которые оценивают постоянную Хаббла73 ± 7 км⋅с ⁻¹ ⋅МПк ⁻¹ . ^[18] В 2003 году Дэвид Спергель провел анализ реликтового излучения в течение первого года наблюдений спутника Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), который также согласовался с предполагаемыми скоростями расширения местных галактик,72 ± 5 км⋅с ^-1 ⋅Мпк ^-1 . ^[19]

Структура космического расширения

Вселенная в самых больших масштабах, как наблюдается, является однородной (одинаковой везде) и изотропной (одинаковой во всех направлениях), что соответствует космологическому принципу . Эти ограничения требуют, чтобы любое расширение Вселенной соответствовало закону Хаббла , в котором объекты удаляются от каждого наблюдателя со скоростями, пропорциональными их положениям относительно этого наблюдателя. То есть скорости удаления масштабируются с (центрированными на наблюдателе) положениями согласно ${\displaystyle {\vec {v}}}$ ${\displaystyle {\vec {x}}}$

${\displaystyle {\vec {v}}=H{\vec {x}},}$

где скорость Хаббла количественно определяет скорость расширения. является функцией космического времени . ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle H}$

Динамика космического расширения

История расширения зависит от плотности Вселенной. Ω на этом графике соответствует отношению плотности материи к критической плотности для Вселенной с преобладанием материи. Кривая «ускорения» показывает траекторию масштабного фактора для Вселенной с темной энергией.

Расширение Вселенной можно понимать как следствие начального импульса (возможно, из-за инфляции ), который разбросал содержимое Вселенной. Взаимное гравитационное притяжение материи и излучения внутри Вселенной постепенно замедляет это расширение с течением времени, но расширение тем не менее продолжается из-за импульса, оставшегося от начального импульса. Кроме того, некоторые экзотические релятивистские жидкости , такие как темная энергия и инфляция, оказывают гравитационное отталкивание в космологическом контексте, что ускоряет расширение Вселенной. Космологическая постоянная также имеет этот эффект.

Математически расширение Вселенной количественно определяется масштабным фактором , , который пропорционален среднему расстоянию между объектами, такими как галактики. Масштабный фактор является функцией времени и традиционно устанавливается равным настоящему времени. Поскольку Вселенная расширяется, она меньше в прошлом и больше в будущем. Экстраполяция назад во времени с помощью определенных космологических моделей даст момент, когда масштабный фактор был равен нулю; наше текущее понимание космологии устанавливает это время на уровне 13,787 ± 0,020 миллиарда лет назад . Если Вселенная продолжит расширяться вечно, масштабный фактор будет стремиться к бесконечности в будущем. В принципе, Вселенная также может прекратить расширяться и начать сжиматься, что соответствует уменьшению масштабного фактора со временем. ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle a=1}$ ${\displaystyle a}$

Масштабный фактор является параметром метрики FLRW , и его временная эволюция регулируется уравнениями Фридмана . Второе уравнение Фридмана, ${\displaystyle a}$

${\displaystyle {\frac {\ddot {a}}{a}}=-{\frac {4\pi G}{3}}\left(\rho +{\frac {3p}{c^{2}}}\right)+{\frac {\Lambda c^{2}}{3}},}$

показывает, как содержимое вселенной влияет на скорость ее расширения. Здесь — гравитационная постоянная , — плотность энергии внутри вселенной, — давление , — скорость света , — космологическая постоянная. Положительная плотность энергии приводит к замедлению расширения, , а положительное давление еще больше замедляет расширение. С другой стороны, достаточно отрицательное давление с приводит к ускоренному расширению, а космологическая постоянная также ускоряет расширение. Нерелятивистская материя по сути не имеет давления, с , в то время как газ ультрарелятивистских частиц (такой как фотонный газ ) имеет положительное давление . Жидкости с отрицательным давлением, такие как темная энергия, экспериментально не подтверждены, но существование темной энергии выводится из астрономических наблюдений. ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle c}$ ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle {\ddot {a}}<0}$ ${\displaystyle p<-\rho c^{2}/3}$ ${\displaystyle |p|\ll \rho c^{2}}$ ${\displaystyle p=\rho c^{2}/3}$

Расстояния в расширяющейся Вселенной

Сопутствующие координаты

В расширяющейся Вселенной часто бывает полезно изучать эволюцию структуры , вынося расширение Вселенной за скобки. Это мотивирует использование сопутствующих координат , которые определяются как растущие пропорционально масштабному фактору. Если объект движется только с потоком Хаббла расширяющейся Вселенной, без какого-либо другого движения, то он остается неподвижным в сопутствующих координатах. Сопутствующие координаты являются пространственными координатами в метрике FLRW .

Форма вселенной

Вселенная — это четырехмерное пространство-время, но во вселенной, которая подчиняется космологическому принципу, существует естественный выбор трехмерной пространственной поверхности. Это поверхности, на которых наблюдатели, которые неподвижны в сопутствующих координатах, соглашаются о возрасте вселенной . Во вселенной, управляемой специальной теорией относительности , такие поверхности были бы гиперболоидами , поскольку релятивистское замедление времени означает, что часы быстро удаляющихся далеких наблюдателей замедляются, так что пространственные поверхности должны изгибаться «в будущее» на больших расстояниях. Однако в рамках общей теории относительности форма этих сопутствующих синхронных пространственных поверхностей зависит от гравитации. Текущие наблюдения согласуются с тем, что эти пространственные поверхности являются геометрически плоскими (так что, например, углы треугольника в сумме составляют 180 градусов).

Космологические горизонты

Расширяющаяся вселенная обычно имеет конечный возраст. Свет и другие частицы могут распространяться только на конечное расстояние. Сопутствующее расстояние, которое такие частицы могут преодолеть за время существования вселенной, называется горизонтом частиц , а область вселенной, которая находится в пределах нашего горизонта частиц, называется наблюдаемой вселенной .

Если темная энергия, которая, как предполагается, доминирует во Вселенной сегодня, является космологической константой, то горизонт частиц сходится к конечному значению в бесконечном будущем. Это подразумевает, что объем Вселенной, который мы когда-либо сможем наблюдать, ограничен. Существует множество систем, свет которых никогда не сможет достичь нас, потому что существует космический горизонт событий, вызванный отталкивающей гравитацией темной энергии.

В ходе изучения эволюции структуры Вселенной возникает естественная шкала, известная как горизонт Хаббла . Космологические возмущения, намного превышающие горизонт Хаббла, не являются динамическими, поскольку гравитационные воздействия не успевают распространяться через них, в то время как возмущения, намного меньшие горизонта Хаббла, напрямую подчиняются ньютоновской гравитационной динамике .

Последствия космического расширения

Скорости и красные смещения

Пекулярная скорость объекта — это его скорость относительно сопутствующей координатной сетки, т. е. относительно среднего движения окружающего материала, связанного с расширением. Это мера того, насколько движение частицы отклоняется от потока Хаббла расширяющейся Вселенной. Пекулярные скорости нерелятивистских частиц затухают по мере расширения Вселенной, обратно пропорционально космическому масштабному фактору . Это можно понимать как эффект самосортировки. Частица, движущаяся в некотором направлении, постепенно обгоняет поток Хаббла космического расширения в этом направлении, асимптотически приближаясь к материи с той же скоростью, что и ее собственная.

В более общем смысле, особые импульсы как релятивистских, так и нерелятивистских частиц затухают обратно пропорционально масштабному фактору. Для фотонов это приводит к космологическому красному смещению . Хотя космологическое красное смещение часто объясняется как растяжение длин волн фотонов из-за «расширения пространства», его более естественно рассматривать как следствие эффекта Доплера . ^[3]

Температура

Вселенная охлаждается по мере своего расширения. Это следует из распада пекулярных импульсов частиц, как обсуждалось выше. Это также можно понимать как адиабатическое охлаждение . Температура ультрарелятивистских жидкостей, часто называемых «излучением» и включающих космический микроволновый фон , обратно пропорционально масштабному фактору (т.е. ). Температура нерелятивистской материи падает более резко, масштабируясь как обратный квадрат масштабного фактора (т.е. ) . ${\displaystyle T\propto a^{-1}}$ ${\displaystyle T\propto a^{-2}}$

Плотность

Содержимое вселенной разбавляется по мере ее расширения. Число частиц в сопутствующем объеме остается фиксированным (в среднем), в то время как объем расширяется. Для нерелятивистской материи это означает, что плотность энергии падает как , где - масштабный фактор . ${\displaystyle \rho \propto a^{-3}}$ ${\displaystyle a}$

Для ультрарелятивистских частиц («излучения») плотность энергии падает более резко, как . Это происходит потому, что в дополнение к объемному разбавлению числа частиц энергия каждой частицы (включая энергию массы покоя ) также значительно падает из-за распада пекулярных импульсов. ${\displaystyle \rho \propto a^{-4}}$

В общем случае можно рассматривать идеальную жидкость с давлением , где — плотность энергии. Параметр — это параметр уравнения состояния . Плотность энергии такой жидкости падает как ${\displaystyle p=w\rho }$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle w}$

${\displaystyle \rho \propto a^{-3(1+w)}.}$

Нерелятивистская материя имеет , а излучение имеет . Для экзотической жидкости с отрицательным давлением, такой как темная энергия, плотность энергии падает медленнее; если она остается постоянной во времени. Если , что соответствует фантомной энергии , плотность энергии растет по мере расширения Вселенной. ${\displaystyle w=0}$ ${\displaystyle w=1/3}$ ${\displaystyle w=-1}$ ${\displaystyle w<-1}$

История расширения

Графическое представление расширения Вселенной от Большого взрыва до наших дней, с инфляционной эпохой, представленной как драматическое расширение, видимое слева. Эта визуализация показывает только часть Вселенной; пустое пространство за пределами диаграммы не следует воспринимать как пустое пространство за пределами Вселенной (которое не обязательно существует).

Космическая инфляция

Инфляция — это период ускоренного расширения, который, как предполагается, произошел примерно за 10−32 ^{секунды} . Он был бы вызван инфлатоном , полем , которое имеет ложное вакуумное состояние с положительной энергией . Инфляция была первоначально предложена для объяснения отсутствия экзотических реликтов, предсказанных теориями великого объединения , таких как магнитные монополи , поскольку быстрое расширение разбавило бы такие реликты. Впоследствии было осознано, что ускоренное расширение также решило бы проблему горизонта и проблему плоскостности . Кроме того, квантовые флуктуации во время инфляции создали бы начальные вариации плотности Вселенной, которые гравитация позже усилила, чтобы дать наблюдаемый спектр вариаций плотности материи . ^{[ необходима цитата ]}

Во время инфляции космический масштабный фактор рос экспоненциально со временем. Чтобы решить проблемы горизонта и плоскостности, инфляция должна была длиться достаточно долго, чтобы масштабный фактор вырос по крайней мере в ⁶⁰ раз (около 10 ²⁶ ). ^{[ необходима цитата ]}

Радиационная эпоха

История Вселенной после инфляции, но до времени около 1 секунды, в значительной степени неизвестна. ^[20] Однако известно, что к моменту отделения нейтрино примерно через 1 секунду во Вселенной доминировали ультрарелятивистские частицы Стандартной модели , обычно называемые излучением . ^[21] Во время доминирования излучения космическое расширение замедлялось, причем масштабный фактор рос пропорционально квадратному корню времени.

Эпоха материи

Поскольку излучение смещается в красную область спектра по мере расширения Вселенной, в конечном итоге нерелятивистская материя стала доминировать в плотности энергии Вселенной. Этот переход произошел примерно через 50 тысяч лет после Большого взрыва. В эпоху доминирования материи космическое расширение также замедлилось, при этом масштабный фактор рос как 2/3 степени времени ( ). Кроме того, формирование гравитационной структуры наиболее эффективно, когда доминирует нерелятивистская материя, и эта эпоха ответственна за формирование галактик и крупномасштабной структуры Вселенной . ${\displaystyle a\propto t^{2/3}}$

Темная энергия

Около 3 миллиардов лет назад, в период около 11 миллиардов лет, темная энергия, как полагают, начала доминировать в плотности энергии Вселенной. Этот переход произошел потому, что темная энергия не разбавляется по мере расширения Вселенной, а вместо этого поддерживает постоянную плотность энергии. Подобно инфляции, темная энергия приводит в движение ускоренное расширение, так что масштабный фактор растет экспоненциально со временем.

Измерение скорости расширения

Когда объект удаляется, его свет растягивается (смещается в красную сторону). Когда объект приближается, его свет сжимается ( смещается в синюю сторону ).

Самый прямой способ измерения скорости расширения — это независимое измерение скоростей разбегания и расстояний до удаленных объектов, таких как галактики. Соотношение между этими величинами дает скорость Хаббла в соответствии с законом Хаббла. Обычно расстояние измеряется с помощью стандартной свечи , которая является объектом или событием, для которого известна собственная яркость . Затем расстояние до объекта можно вывести из наблюдаемой видимой яркости . Между тем, скорость разбегания измеряется через красное смещение. Хаббл использовал этот подход для своего первоначального измерения скорости расширения, измеряя яркость переменных звезд цефеид и красные смещения их родительских галактик. Совсем недавно, используя сверхновые типа Ia , скорость расширения была измерена как H ₀  = 73,24 ± 1,74 (км/с)/Мпк . ^[22] Это означает, что на каждый миллион парсеков расстояния от наблюдателя скорость удаления объектов на этом расстоянии увеличивается примерно на 73 километра в секунду (160 000 миль в час).

Сверхновые можно наблюдать на таких больших расстояниях, что время прохождения света от них может приближаться к возрасту Вселенной. Следовательно, их можно использовать для измерения не только современной скорости расширения, но и истории расширения. В работе, удостоенной Нобелевской премии по физике 2011 года , наблюдения за сверхновыми использовались для определения того, что космическое расширение ускоряется в настоящую эпоху. ^[23]

Принимая космологическую модель, например, модель Лямбда-CDM , другая возможность заключается в том, чтобы вывести современную скорость расширения из размеров самых больших флуктуаций, наблюдаемых в космическом микроволновом фоне . Более высокая скорость расширения будет означать меньший характерный размер флуктуаций CMB, и наоборот. Сотрудничество Planck измерило скорость расширения таким образом и определило H ₀ =67,4 ± 0,5 (км/с)/Мпк . ^[24] Существует расхождение между этим измерением и измерениями, основанными на сверхновых, известными как напряжение Хаббла .

Третий вариант, предложенный недавно, заключается в использовании информации из гравитационно-волновых событий (особенно тех, которые связаны со слиянием нейтронных звезд , таких как GW170817 ), для измерения скорости расширения. ^{[25] [26]} Такие измерения пока не обладают достаточной точностью, чтобы разрешить напряженность Хаббла.

В принципе, историю космического расширения можно также измерить, изучая, как красные смещения, расстояния, потоки, угловые положения и угловые размеры астрономических объектов изменяются в течение времени, в течение которого они наблюдаются. Эти эффекты слишком малы, чтобы быть обнаруженными. Однако изменения в красном смещении или потоке могут быть обнаружены с помощью Square Kilometre Array или Extremely Large Telescope в середине 2030-х годов. ^[27]

Концептуальные соображения и заблуждения

Измерение расстояний в расширяющемся пространстве

В космологических масштабах современная Вселенная соответствует евклидову пространству , которое космологи описывают как геометрически плоское , в пределах экспериментальной погрешности. ^[28]

Следовательно, правила евклидовой геометрии , связанные с пятым постулатом Евклида, справедливы в современной Вселенной в трехмерном пространстве. Однако возможно, что геометрия прошлого трехмерного пространства могла быть сильно искривлена. Кривизна пространства часто моделируется с использованием ненулевого тензора кривизны Римана в кривизне римановых многообразий . Евклидово «геометрически плоское» пространство имеет тензор кривизны Римана, равный нулю.

«Геометрически плоское» пространство имеет три измерения и согласуется с евклидовым пространством. Однако пространство-время имеет четыре измерения; оно не является плоским согласно общей теории относительности Эйнштейна. Теория Эйнштейна постулирует, что «материя и энергия искривляют пространство-время, и есть достаточно материи и энергии, чтобы обеспечить кривизну». ^[29]

Отчасти для того, чтобы приспособиться к таким различным геометриям, расширение вселенной по своей сути является общерелятивистским. Его нельзя смоделировать только с помощью специальной теории относительности : хотя такие модели существуют, они могут находиться в фундаментальном противоречии с наблюдаемым взаимодействием между материей и пространством-временем, наблюдаемым во вселенной.

Изображения справа показывают два вида диаграмм пространства-времени , которые показывают крупномасштабную геометрию Вселенной согласно космологической модели ΛCDM . Два измерения пространства опущены, оставляя одно измерение пространства (измерение, которое растет по мере увеличения конуса) и одно измерение времени (измерение, которое продолжается «вверх» по поверхности конуса). Узкий круглый конец диаграммы соответствует космологическому времени в 700 миллионов лет после Большого взрыва, в то время как широкий конец — космологическое время в 18 миллиардов лет, где можно увидеть начало ускоряющегося расширения как расползание наружу пространства-времени, особенность, которая в конечном итоге доминирует в этой модели. Фиолетовые линии сетки отмечают космологическое время с интервалом в один миллиард лет от Большого взрыва. Голубые линии сетки отмечают сопутствующее расстояние с интервалом в один миллиард световых лет в настоящую эпоху (меньше в прошлом и больше в будущем). Круговое завихрение поверхности является артефактом встраивания, не имеющим физического значения и выполненным в иллюстративных целях; плоская вселенная не завихряется сама на себя. (Похожий эффект можно наблюдать в трубчатой ​​форме псевдосферы . )

Коричневая линия на схеме — это мировая линия Земли (точнее, ее местоположение в космосе, даже до того, как она образовалась). Желтая линия — это мировая линия самого далекого известного квазара . Красная линия — это путь светового луча, испущенного квазаром около 13 миллиардов лет назад и достигшего Земли в настоящее время. Оранжевая линия показывает современное расстояние между квазаром и Землей, около 28 миллиардов световых лет, что больше возраста Вселенной, умноженного на скорость света,  ct .

Согласно принципу эквивалентности общей теории относительности, правила специальной теории относительности локально справедливы в небольших областях пространства-времени, которые являются приблизительно плоскими. В частности, свет всегда движется локально со скоростью  c ; на диаграмме это означает, согласно соглашению о построении диаграмм пространства-времени, что световые лучи всегда образуют угол 45° с локальными линиями сетки. Однако из этого не следует, что свет проходит расстояние ct за время t , как иллюстрирует красная мировая линия. Хотя он всегда движется локально со скоростью  c , его время в пути (около 13 миллиардов лет) не связано с пройденным расстоянием каким-либо простым способом, поскольку Вселенная расширяется по мере того, как световой луч пересекает пространство и время. Таким образом, пройденное расстояние по своей сути неоднозначно из-за изменяющегося масштаба Вселенной. Тем не менее, есть два расстояния, которые кажутся физически значимыми: расстояние между Землей и квазаром, когда был испущен свет, и расстояние между ними в настоящую эпоху (взяв срез конуса вдоль измерения, определяемого как пространственное измерение). Первое расстояние составляет около 4 миллиардов световых лет, что намного меньше, чем ct , тогда как второе расстояние (показано оранжевой линией) составляет около 28 миллиардов световых лет, что намного больше, чем  ct . Другими словами, если бы пространство не расширялось сегодня, то свету потребовалось бы 28 миллиардов лет, чтобы пройти путь между Землей и квазаром, в то время как если бы расширение остановилось в более раннее время, то это заняло бы всего 4 миллиарда лет.

Свету потребовалось гораздо больше времени, чем 4 миллиарда лет, чтобы достичь нас, хотя он был испущен всего лишь с расстояния в 4 миллиарда световых лет. Фактически, свет, испущенный в сторону Земли, на самом деле удалялся от Земли, когда он был испущен; метрическое расстояние до Земли увеличивалось с космологическим временем в течение первых нескольких миллиардов лет его путешествия, также указывая на то, что расширение пространства между Землей и квазаром в раннее время было быстрее скорости света. Ни одно из этих поведений не происходит из особого свойства метрического расширения, а скорее из локальных принципов специальной теории относительности, интегрированных по искривленной поверхности.

Топология расширяющегося пространства

Со временем пространство , составляющее вселенную , расширяется. Слова « пространство » и « вселенная », иногда используемые взаимозаменяемо, имеют в этом контексте различные значения. Здесь «пространство» — это математическое понятие, которое обозначает трехмерное многообразие , в которое встроены наши соответствующие позиции, в то время как «вселенная» относится ко всему, что существует, включая материю и энергию в пространстве, дополнительные измерения, которые могут быть обернуты в различные струны , и время, в течение которого происходят различные события. Расширение пространства относится только к этому трехмерному многообразию; то есть описание не включает в себя никаких структур, таких как дополнительные измерения или внешняя вселенная. ^[30]

Окончательная топология пространства является апостериорной — то, что в принципе должно соблюдаться — поскольку нет ограничений, которые можно было бы просто вывести (другими словами, не может быть никаких априорных ограничений) на то, как пространство, в котором мы живем, связано или замыкается ли оно само на себя как компактное пространство . Хотя некоторые космологические модели, такие как вселенная Гёделя, даже допускают причудливые мировые линии , которые пересекаются сами с собой, в конечном итоге вопрос о том, находимся ли мы в чем-то вроде « вселенной Pac-Man », где если бы путешествие достаточно далеко в одном направлении позволило бы просто вернуться обратно в то же самое место, как если бы мы прошли весь путь по поверхности воздушного шара (или планеты, такой как Земля), является наблюдательным вопросом, который ограничен как измеримый или неизмеримый глобальной геометрией вселенной . В настоящее время наблюдения согласуются с тем, что вселенная имеет бесконечную протяженность и является односвязным пространством , хотя космологические горизонты ограничивают нашу способность различать простые и более сложные предложения. Вселенная может быть бесконечной по протяженности или она может быть конечной; но доказательства, которые приводят к инфляционной модели ранней Вселенной, также подразумевают, что «общая Вселенная» намного больше наблюдаемой Вселенной. Таким образом, любые края или экзотические геометрии или топологии не будут непосредственно наблюдаемы, поскольку свет не достиг масштабов, на которых такие аспекты Вселенной, если они существуют, все еще разрешены. Для всех намерений и целей можно с уверенностью предположить, что Вселенная бесконечна в пространственном масштабе, без краев или странной связанности. ^[31]

Независимо от общей формы вселенной, вопрос о том, во что расширяется вселенная, не требует ответа, согласно теориям, описывающим расширение; способ, которым мы определяем пространство в нашей вселенной, никоим образом не требует дополнительного внешнего пространства, в которое оно может расширяться, поскольку расширение бесконечного пространства может произойти без изменения бесконечной протяженности пространства. Все, что несомненно, так это то, что многообразие пространства, в котором мы живем, просто обладает свойством, что расстояния между объектами увеличиваются с течением времени. Это подразумевает только простые наблюдательные последствия, связанные с метрическим расширением, рассматриваемым ниже. Никакого «внешнего» или встраивания в гиперпространство не требуется для того, чтобы произошло расширение. Визуализации, которые часто рассматриваются как вселенная, растущая как пузырь в небытие, вводят в заблуждение в этом отношении. Нет никаких оснований полагать, что есть что-то «вне» расширяющейся вселенной, в которую расширяется вселенная.

Даже если общая пространственная протяженность бесконечна и, таким образом, Вселенная не может стать "больше", мы все равно говорим, что пространство расширяется, потому что локально характерное расстояние между объектами увеличивается. По мере того, как бесконечное пространство растет, оно остается бесконечным.

Плотность Вселенной во время расширения

Несмотря на то, что Вселенная была чрезвычайно плотной в очень молодом возрасте и в течение части ее раннего расширения – гораздо плотнее, чем обычно требуется для образования черной дыры – она не схлопнулась снова в черную дыру. Это потому, что обычно используемые расчеты гравитационного коллапса обычно основаны на объектах относительно постоянного размера, таких как звезды , и не применимы к быстро расширяющемуся пространству, такому как Большой взрыв. ^{[ необходима цитата ] [ сомнительно – обсудить ]}

Эффекты расширения в малых масштабах

Расширение пространства иногда описывается как сила, которая действует, чтобы раздвигать объекты. Хотя это точное описание эффекта космологической постоянной, это не точная картина явления расширения в целом. ^[32]

Анимация расширяющейся модели изюма-хлеба. По мере того, как ширина (глубина и длина) хлеба удваивается, расстояния между изюминами также удваиваются.

Помимо замедления общего расширения, гравитация вызывает локальное сгущение материи в звезды и галактики. Как только объекты сформированы и связаны гравитацией, они «выпадают» из расширения и впоследствии не расширяются под влиянием космологической метрики, поскольку нет силы, заставляющей их это делать.

Нет никакой разницы между инерционным расширением Вселенной и инерционным разделением близлежащих объектов в вакууме; первое является просто крупномасштабной экстраполяцией второго.

Как только объекты связаны гравитацией, они больше не удаляются друг от друга. Таким образом, Галактика Андромеды , которая связана с Галактикой Млечный Путь , на самом деле падает к нам, а не расширяется. В пределах Местной группы гравитационные взаимодействия изменили инерционные модели объектов таким образом, что космологическое расширение не происходит. За пределами Местной группы инерционное расширение измеримо, хотя систематические гравитационные эффекты подразумевают, что все большие и большие части пространства в конечном итоге будут выпадать из « потока Хаббла » и в конечном итоге станут связанными, нерасширяющимися объектами вплоть до масштабов сверхскоплений галактик. Такие будущие события предсказываются, зная точный способ изменения потока Хаббла, а также массы объектов, к которым мы гравитационно притягиваемся. В настоящее время Местная группа гравитационно притягивается либо к Сверхскоплению Шепли , либо к « Великому аттрактору », с которым мы в конечном итоге слились бы, если бы не действовала темная энергия.

Следствием метрического расширения, обусловленного инерционным движением, является то, что равномерный локальный «взрыв» материи в вакуум может быть локально описан геометрией FLRW , той же самой геометрией, которая описывает расширение вселенной в целом и которая также была основой для более простой вселенной Милна , которая игнорирует эффекты гравитации. В частности, общая теория относительности предсказывает, что свет будет двигаться со скоростью c относительно локального движения взрывающейся материи, явление, аналогичное волочению системы отсчета .

Ситуация несколько меняется с введением темной энергии или космологической постоянной. Космологическая постоянная, обусловленная плотностью энергии вакуума, имеет эффект добавления силы отталкивания между объектами, которая пропорциональна (а не обратно пропорциональна) расстоянию. В отличие от инерции она активно «тянет» объекты, которые слиплись под действием гравитации, и даже отдельные атомы. Однако это не приводит к тому, что объекты неуклонно растут или распадаются; если только они не очень слабо связаны, они просто перейдут в состояние равновесия, которое будет немного (незаметно) больше, чем оно было бы в противном случае. По мере расширения Вселенной и истончения материи в ней гравитационное притяжение уменьшается (поскольку оно пропорционально плотности), в то время как космологическое отталкивание увеличивается. Таким образом, конечная судьба Вселенной ΛCDM — это почти вакуум, расширяющийся с постоянно возрастающей скоростью под влиянием космологической постоянной. Однако гравитационно связанные объекты, такие как Млечный Путь, не расширяются, а галактика Андромеды движется к нам достаточно быстро, поэтому она все равно сольется с Млечным Путем примерно через 3 миллиарда лет.

Метрическое расширение и скорость света

В конце раннего инфляционного периода Вселенной вся материя и энергия во Вселенной были установлены на инерциальной траектории, соответствующей принципу эквивалентности и общей теории относительности Эйнштейна . Это когда точная и регулярная форма расширения Вселенной получила свое начало (то есть, материя во Вселенной разделяется, потому что она разделялась в прошлом из-за поля инфлатона ). ^{[ необходима цитата ]}

Хотя специальная теория относительности запрещает объектам двигаться быстрее света относительно локальной системы отсчета , где пространство-время можно рассматривать как плоское и неизменное , она не применяется к ситуациям, когда кривизна пространства-времени или эволюция во времени становятся важными. Эти ситуации описываются общей теорией относительности, которая позволяет разделению между двумя удаленными объектами увеличиваться быстрее скорости света, хотя определение «расстояния» здесь несколько отличается от используемого в инерциальной системе отсчета. Определение расстояния, используемое здесь, представляет собой суммирование или интеграцию локальных сопутствующих расстояний , все это делается в постоянном местном собственном времени. Например, галактики, которые находятся дальше радиуса Хаббла , примерно в 4,5  гигапарсеках или 14,7 миллиардах световых лет , от нас, имеют скорость удаления, которая превышает скорость света . Видимость этих объектов зависит от точной истории расширения Вселенной. Свет, который сегодня испускается галактиками за пределами более далекого космологического горизонта событий , около 5 гигапарсеков или 16 миллиардов световых лет, никогда не достигнет нас, хотя мы все еще можем видеть свет, который эти галактики испускали в прошлом. Из-за высокой скорости расширения также возможно, что расстояние между двумя объектами будет больше, чем значение, рассчитанное путем умножения скорости света на возраст Вселенной. Эти детали являются частым источником путаницы среди любителей и даже профессиональных физиков. ^[33] Из-за неинтуитивной природы предмета и того, что было описано некоторыми как «небрежный» выбор формулировок, определенные описания метрического расширения пространства и заблуждения, к которым такие описания могут привести, являются постоянным предметом обсуждения в областях образования и коммуникации научных концепций. ^{[34] [35] [36] [37]}

Распространенные аналогии космического расширения

Расширение Вселенной часто иллюстрируется концептуальными моделями, где расширяющийся объект рассматривается как представляющий расширяющееся пространство. Эти модели могут быть обманчивыми в той степени, в которой они создают ложное впечатление, что расширяющееся пространство должно нести с собой объекты. В действительности расширение Вселенной можно альтернативно рассматривать как соответствующее только инерционному движению объектов друг от друга.

В « модели муравья на резиновой веревке » мы представляем себе муравья (идеализированного как точечный), ползущего с постоянной скоростью по идеально эластичной веревке, которая постоянно растягивается. Если мы растянем веревку в соответствии с масштабным коэффициентом ΛCDM и будем считать скорость муравья скоростью света, то эта аналогия концептуально точна — положение муравья с течением времени будет соответствовать пути красной линии на диаграмме встраивания выше.

В «модели резинового листа» веревка заменяется плоским двумерным резиновым листом, который равномерно расширяется во всех направлениях. Добавление второго пространственного измерения позволяет показать локальные возмущения пространственной геометрии локальной кривизной листа.

В «модели воздушного шара» плоский лист заменяется сферическим воздушным шаром, который надувается с начального размера, равного нулю (представляющего Большой взрыв). Воздушный шар имеет положительную гауссову кривизну , хотя наблюдения показывают, что реальная вселенная пространственно плоская, но это противоречие можно устранить, сделав воздушный шар очень большим, так что он будет локально плоским в пределах наблюдения. Эта аналогия потенциально сбивает с толку, поскольку она может ошибочно предполагать, что Большой взрыв произошел в центре воздушного шара. Фактически, точки за пределами поверхности воздушного шара не имеют никакого значения, даже если они были заняты воздушным шаром в более раннее время или будут заняты позже.

В «модели хлеба с изюмом» можно представить себе буханку хлеба с изюмом, расширяющуюся в духовке. Буханка (пространство) расширяется как единое целое, но изюминки (гравитационно связанные объекты) не расширяются; они просто отдаляются друг от друга. Эта аналогия имеет недостаток, поскольку ошибочно подразумевает, что расширение имеет центр и край.

Смотрите также

• Сопутствующее перемещение и соблюдение дистанции

Ссылки

1. Овербай, Деннис (20 февраля 2017 г.). «Противоречие в космосе: Вселенная расширяется, но насколько быстро?». The New York Times . Получено 21 февраля 2017 г.
2. Павлин (2008), arXiv:0809.4573
3. Bunn & Hogg, Американский журнал физики 77, стр. 688–694 (2009), arXiv:0808.1081
4. Льюис, Australian Physics 53(3), стр. 95–100 (2016), arXiv:1605.08634
5. Типлер, Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества 282(1), стр. 206–210 (1996).
6. Гиббонс и Эллис, Классическая и квантовая гравитация 31 (2), 025003 (2014), arXiv:1308.1852
7. Slipher, VM (1913). "Лучевая скорость туманности Андромеды". Бюллетень обсерватории Лоуэлла . 1 (8): 56–57. Bibcode : 1913LowOB...2...56S.
8. «Весто Слайфер – американский астроном».
9. Фридман, А. (1922). «Über die Krümmung des Raumes». Zeitschrift für Physik . 10 (1): 377–386. Бибкод : 1922ZPhy...10..377F. дои : 10.1007/BF01332580. S2CID  125190902.переведено в Friedmann, A. (1999). «О кривизне пространства». Общая теория относительности и гравитация . 31 (12): 1991–2000. Bibcode : 1999GReGr..31.1991F. doi : 10.1023/A:1026751225741. S2CID  122950995.
10. Стир, Ян (октябрь 2012 г.). «Кто открыл расширение Вселенной?». Nature . 490 (7419): 176. arXiv : 1212.1359 . doi : 10.1038/490176c. ISSN  1476-4687. PMID  23060180. S2CID  47038783.
11. Леметр, Жорж (1927). «Un Univers homogène de Masse Constante et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiusale des nébuleuses extra-galactiques» [Однородная Вселенная с постоянной массой и увеличивающимся радиусом, учитывающая радиальную скорость внегалактических туманностей]. Анналы научного общества Брюсселя . А47 : 49–59. Бибкод : 1927ASSB...47...49L.
12. "Астроном-сыщик разгадал тайну открытия Большого Космоса". Space.com . 14 ноября 2011 г.
13. Бааде, В. (1944) «Разрешение Мессье 32 , NGC 205 и центральная область туманности Андромеды». ApJ 100. С. 137–146
14. Бааде, В. (1956) «Зависимость периода от светимости цефеид». PASP 68. С. 5–16
15. Аллен, Ник. "Раздел 2: Великие дебаты и Великая ошибка: Шепли, Хаббл, Бааде". Шкала расстояний до цефеид: История . Архивировано из оригинала 10 декабря 2007 года . Получено 19 ноября 2011 года .
16. Траугер, Дж. Т. (1994). ""Орбитальные характеристики WFPC2"". Astrophysical Journal Letters . 435 : L3. Bibcode : 1994ApJ...435L...3T. doi : 10.1086/187580.
17. Freedman, WL "The HST Key Project to Measurement the Hubble Constant". www.stsci.edu . 813 Santa Barbara Street, Pasadena, California 91101.: Carnegie Observatories . Получено 17 июня 2023 г. .{{cite web}}: CS1 maint: location (link)
18. Рисс, Адам Г. (январь 1995 г.). ""Использование форм кривых блеска сверхновых типа IA для измерения постоянной Хаббла"". The Astrophysical Journal . 438 : L17. arXiv : astro-ph/9410054 . Bibcode :1995ApJ...438L..17R. doi :10.1086/187704. S2CID  118938423.
19. Spergel, DN (сентябрь 2003 г.). «Первоначальные наблюдения зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP)1: определение космологических параметров». Серия приложений к астрофизическому журналу . 148 (1): 175–194. arXiv : astro-ph/0302209 . Bibcode : 2003ApJS..148..175S. doi : 10.1086/377226. S2CID  10794058.
20. Аллахверди и др., Open J. Astrophys. 4, 1 (2021), arXiv:2006.16182
21. де Салас и др., Physical Review D. 92, 123534 (2015), arXiv:1511.00672
22. Рисс, Адам Г.; Макри, Лукас М.; Хоффманн, Саманта Л.; Сколник, Дэн; Казертано, Стефано; Филиппенко, Алексей В.; Такер, Брэд Э.; Рид, Марк Дж.; Джонс, Дэвид О.; Сильверман, Джеффри М.; Чорнок, Райан; Чаллис, Питер; Юань, Вэньлун; Браун, Питер Дж.; Фоли, Райан Дж. (2016). "Определение локального значения постоянной Хаббла с точностью 2,4%". The Astrophysical Journal . 826 (1): 56. arXiv : 1604.01424 . Bibcode :2016ApJ...826...56R. doi : 10.3847/0004-637X/826/1/56 . S2CID  118630031.
23. "Нобелевская премия по физике 2011 года". NobelPrize.org . Получено 17 июня 2023 г. .
24. Сотрудничество, Planck (2020). "Результаты Planck 2018. VI. Космологические параметры". Астрономия и астрофизика . 641 : A6. arXiv : 1807.06209 . Bibcode : 2020A&A...641A...6P. doi : 10.1051/0004-6361/201833910. S2CID  119335614.
25. Лернер, Луиза (22 октября 2018 г.). «Гравитационные волны вскоре смогут стать мерой расширения Вселенной». Phys.org . Получено 22 октября 2018 г. .
26. Чен, Хсин-Ю; Фишбах, Майя; Хольц, Дэниел Э. (17 октября 2018 г.). «Двухпроцентное измерение постоянной Хаббла со стандартных сирен в течение пяти лет». Nature . 562 (7728): 545–547. arXiv : 1712.06531 . Bibcode :2018Natur.562..545C. doi :10.1038/s41586-018-0606-0. PMID  30333628. S2CID  52987203.
27. Болейко, Кшиштоф; Ван, Чэньи; Льюис, Герайнт Ф. (2019). «Прямое обнаружение космического расширения: дрейф красного смещения и дрейф потока». arXiv : 1907.04495 [astro-ph.CO].
28. Краусс, Лоуренс М. (2012). Вселенная из ничего . Free Press. стр. 82. ISBN 9781451624458.
29. Кастельвекки, Давиде. «Что вы имеете в виду, говоря, что Вселенная плоская? (часть I)». Scientific American Blog Network . Получено 17 июня 2023 г.
30. Пиблз, П. Дж. Э. (1993). Принципы физической космологии . Princeton University Press. стр. 73. ISBN 9780691019338.
31. Ротштейн, Дэйв (23 апреля 2003 г.). «Во что расширяется Вселенная?». Спросите астронома. Архивировано из оригинала 8 июня 2020 г. . Получено 28 апреля 2017 г. .
32. Понс, Дж. М.; Талавера, П. (2021). «О космологическом расширении и локальной физике». Общая теория относительности и гравитация . 53 (11): 105. arXiv : 2011.01216 . Bibcode : 2021GReGr..53..105P. doi : 10.1007/s10714-021-02874-4. S2CID  226236696.
33. Дэвис, Тамара М.; Лайнуивер, Чарльз Х. (2004). «Расширяющаяся путаница: распространённые заблуждения о космологических горизонтах и ​​сверхсветовом расширении Вселенной». Публикации Астрономического общества Австралии . 21 (1): 97–109. arXiv : astro-ph/0310808 . Bibcode :2004PASA...21...97D. doi :10.1071/AS03040. ISSN  1323-3580. S2CID  13068122.
34. Уайтинг, Алан Б. (2004). «Расширение пространства: свободное движение частиц и космологическое красное смещение». Обсерватория . 124 : 174. arXiv : astro-ph/0404095 . Bibcode : 2004Obs...124..174W.
35. Банн, ЭФ; Хогг, ДВ (2009). «Кинематическое происхождение космологического красного смещения». American Journal of Physics . 77 (8): 688–694. arXiv : 0808.1081 . Bibcode : 2009AmJPh..77..688B. doi : 10.1119/1.3129103. S2CID  1365918.
36. Барышев, Ю. В. (2008). «Расширяющееся пространство: корень концептуальных проблем космологической физики». Практическая космология . 2 : 20–30. arXiv : 0810.0153 . Bibcode :2008pc2..conf...20B.
37. Пикок, JA (2008). «Обличительная тирада о расширяющемся пространстве». arXiv : 0809.4573 [astro-ph].

Печатные ссылки

• Эддингтон, Артур. Расширяющаяся Вселенная: «Великий спор» астрономии, 1900–1931 . Издательство Кембриджского университета, 1933.
• Лиддл, Эндрю Р. и Лит, Дэвид Х. Космологическая инфляция и крупномасштабная структура . Cambridge University Press, 2000.
• Лайнуивер, Чарльз Х. и Дэвис, Тамара М. «Заблуждения о Большом взрыве», Scientific American , март 2005 г. (несвободный контент).
• Мук, Дело Э. и Томас Варгиш . Внутри теории относительности . Princeton University Press, 1991.

Внешние ссылки

• Свенсон, Джим, Ответ на вопрос о расширяющейся Вселенной Архивировано 11 января 2009 г. на Wayback Machine
• Фелдер, Гэри, «Расширяющаяся Вселенная».
• Команда WMAP из NASA предлагает «Объяснение расширения Вселенной» на элементарном уровне.
• Учебник по телескопу Хаббл от физического факультета Висконсинского университета. Архивировано 9 июня 2014 г. на Wayback Machine.
• Расширяющийся изюмный хлеб от Университета Виннипега: иллюстрация, но без объяснений
• Аналогия с «муравьем на воздушном шаре» для объяснения расширяющейся Вселенной в «Спросите астронома» (астроном, давший это объяснение, не указан).