Модель Вселенной – альтернатива модели Большого Взрыва
В космологии модель стационарного состояния или теория стационарного состояния является альтернативой теории Большого взрыва . В модели стационарного состояния плотность материи в расширяющейся Вселенной остается неизменной из-за непрерывного создания материи, таким образом придерживаясь идеального космологического принципа , принципа, который гласит, что наблюдаемая Вселенная всегда одна и та же в любое время и в любом месте.
С 1940-х по 1960-е годы астрофизическое сообщество разделилось на сторонников теории Большого взрыва и сторонников теории стационарного состояния. Модель стационарного состояния в настоящее время отвергается большинством космологов , астрофизиков и астрономов . [1]
Наблюдательные данные указывают на космологию горячего Большого взрыва с конечным возрастом Вселенной , который модель стационарного состояния не предсказывает. [2]
История
Древние Веды утверждают, что вселенная не имеет начала и конца, но вещи внутри нее проходят через переработку. Ведическая теория причинно-следственных связей утверждает, что следствие вызывается в другой форме.
Космологическое расширение первоначально было замечено в наблюдениях Эдвина Хаббла . Теоретические расчеты также показали, что статическая вселенная , смоделированная Альбертом Эйнштейном (1917), была нестабильной. Современная теория Большого взрыва, впервые выдвинутая отцом Жоржем Леметром , является теорией, согласно которой вселенная имеет конечный возраст и развивалась с течением времени посредством охлаждения, расширения и формирования структур посредством гравитационного коллапса.
С другой стороны, модель стационарного состояния утверждает, что хотя Вселенная расширяется, она, тем не менее, не меняет своего внешнего вида с течением времени ( идеальный космологический принцип ). Например, Вселенная не имеет начала и конца. Это требовало, чтобы материя постоянно создавалась, чтобы не допустить уменьшения плотности Вселенной. Влиятельные работы на тему стационарной космологии были опубликованы Германом Бонди , Томасом Голдом и Фредом Хойлом в 1948 году. [3] [4] Аналогичные модели были предложены ранее Уильямом Дунканом Макмилланом и другими. [5]
Теперь известно, что Альберт Эйнштейн рассматривал стационарную модель расширяющейся Вселенной, как указано в рукописи 1931 года, за много лет до Хойла, Бонди и Голда. Однако Эйнштейн отказался от этой идеи. [6]
Наблюдательные тесты
Количество радиоисточников
Проблемы с моделью стационарного состояния начали возникать в 1950-х и 60-х годах — наблюдения подтверждали идею о том, что Вселенная на самом деле меняется. Яркие радиоисточники ( квазары и радиогалактики ) были обнаружены только на больших расстояниях (следовательно, могли существовать только в далеком прошлом из-за влияния скорости света на астрономию), а не в более близких галактиках. В то время как теория Большого взрыва предсказывала это, модель стационарного состояния предсказывала, что такие объекты будут обнаружены по всей Вселенной, в том числе вблизи нашей собственной галактики. К 1961 году статистические тесты, основанные на обзорах радиоисточников [7], исключили модель стационарного состояния в умах большинства космологов, хотя некоторые сторонники астрономов, такие как Хэлтон Арп, настаивают на том, что радиоданные были сомнительными. [1] : 384
Рентгеновский фон
Голд и Хойл (1959) [8]
считали, что вновь созданная материя существует в области, которая плотнее средней плотности Вселенной. Эта материя затем может излучаться и охлаждаться быстрее, чем окружающие области, что приводит к градиенту давления. Этот градиент выталкивает материю в область повышенной плотности и приводит к тепловой нестабильности и испусканию большого количества плазмы. Однако Гулд и Бербидж (1963) [9]
поняли, что тепловое тормозное излучение, испускаемое такой плазмой, превысит количество наблюдаемых рентгеновских лучей . Поэтому в стационарной космологической модели тепловая нестабильность, по-видимому, не играет важной роли в формировании масс размером с галактику. [10]
Космический микроволновый фон
Для большинства космологов опровержение модели стационарного состояния произошло с открытием космического микроволнового фонового излучения в 1964 году, которое было предсказано теорией Большого взрыва. Модель стационарного состояния объясняла микроволновое фоновое излучение как результат света древних звезд, рассеянного галактической пылью. Однако уровень космического микроволнового фонового излучения очень равномерен во всех направлениях, что затрудняет объяснение того, как он мог быть сгенерирован многочисленными точечными источниками, и микроволновое фоновое излучение не демонстрирует никаких признаков таких характеристик, как поляризация, которые обычно связаны с рассеянием. Более того, его спектр настолько близок к спектру идеального черного тела , что он вряд ли мог быть образован суперпозицией вкладов множества пылевых сгустков при разных температурах, а также при разных красных смещениях . Стивен Вайнберг писал в 1972 году: «Модель стационарного состояния, по-видимому, не согласуется с наблюдаемым соотношением d L и z или с количеством источников ... В некотором смысле, это несогласие является заслугой модели; единственная среди всех космологий, модель стационарного состояния делает настолько определенные предсказания, что ее можно опровергнуть даже при ограниченных наблюдательных данных, имеющихся в нашем распоряжении. Модель стационарного состояния настолько привлекательна, что многие ее приверженцы все еще сохраняют надежду, что доказательства против нее в конечном итоге исчезнут по мере улучшения наблюдений. Однако, если космическое микроволновое излучение... действительно является излучением черного тела, будет трудно сомневаться в том, что Вселенная развилась из более горячей и плотной ранней стадии». [11]
С момента этого открытия теория Большого взрыва считается наилучшим объяснением происхождения Вселенной. В большинстве астрофизических публикаций Большой взрыв неявно принимается и используется в качестве основы для более полных теорий. [12] : 388
Нарушения космологического принципа
Одним из основных предположений модели стационарного состояния является космологический принцип , который следует из идеального космологического принципа и который гласит, что наше наблюдаемое местоположение во Вселенной не является необычным или особенным; в достаточно большом масштабе Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях ( изотропия ) и из любого места ( однородность ). [13] Однако недавние открытия показывают, что существуют нарушения космологического принципа, особенно изотропии, при этом некоторые авторы предполагают, что космологический принцип в настоящее время устарел. [14] [15] [16] [17]
Нарушения изотропии
Данные, полученные в результате изучения скоплений галактик [18] [19] , квазаров [20] и сверхновых типа Ia [21], свидетельствуют о том, что изотропия нарушается в больших масштабах.
Данные миссии Planck показывают полусферическое смещение в космическом микроволновом фоне (CMB) в двух отношениях: одно в отношении средней температуры (т. е. температурных колебаний), второе в отношении больших изменений в степени возмущений (т. е. плотности). Европейское космическое агентство (руководящий орган миссии Planck) пришло к выводу, что эти анизотропии в CMB, по сути, статистически значимы и больше не могут игнорироваться. [22]
Еще в 1967 году Деннис Скиама предсказал, что реликтовое излучение имеет значительную дипольную анизотропию. [23] [24] В последние годы диполь реликтового излучения был проверен, и текущие результаты показывают, что наше движение относительно далеких радиогалактик [25] и квазаров [26] отличается от нашего движения относительно реликтового излучения. Такой же вывод был сделан в недавних исследованиях диаграммы Хаббла сверхновых типа Ia [27] и квазаров . [28] Это противоречит космологическому принципу.
На диполь CMB намекают и другие наблюдения. Во-первых, даже в пределах CMB существуют любопытные направленные выравнивания [29] и аномальная асимметрия четности [30] , которые могут иметь происхождение в диполе CMB. [31] Отдельно направление диполя CMB стало предпочтительным направлением в исследованиях выравниваний в поляризациях квазаров, [32] масштабных соотношений в скоплениях галактик, [33] [34] сильной задержки линзирования, [15] сверхновых типа Ia, [35] и квазаров и гамма-всплесков как стандартных свечей . [36] Тот факт, что все эти независимые наблюдаемые, основанные на разной физике, отслеживают направление диполя CMB, предполагает, что Вселенная анизотропна в направлении диполя CMB. [ необходима цитата ]
Тем не менее, некоторые авторы утверждают, что Вселенная вокруг Земли является изотропной с высокой степенью достоверности, изучая карты температур космического микроволнового фона. [37]
Нарушения однородности
Было обнаружено множество крупномасштабных структур, и некоторые авторы сообщали, что некоторые из структур противоречат условию однородности, необходимому для космологического принципа, включая
LQG Клоус -Кампусано , открытая в 1991 году, имеет длину 580 Мпк.
Великая стена Слоуна , открытая в 2003 году, имеет длину 423 Мпк, [38]
Гигантская дуга , открытая в июне 2021 года, имеет длину 1000 Мпк [40]
Другие авторы утверждают, что существование крупномасштабных структур не обязательно нарушает космологический принцип. [41] [14]
Квазиустойчивое состояние
Квазистационарная космология (QSS) была предложена в 1993 году Фредом Хойлом, Джеффри Бербиджем и Джайантом В. Нарликаром как новое воплощение идей стационарного состояния, призванных объяснить дополнительные особенности, неучтенные в первоначальном предложении. Модель предполагает наличие очагов творения, происходящих с течением времени во Вселенной, иногда называемых мини-взрывами, событиями мини-творения или малыми взрывами . [42] После наблюдения ускоряющейся Вселенной были сделаны дальнейшие модификации модели. [43] Частица Планка — это гипотетическая черная дыра , радиус Шварцшильда которой примерно равен ее комптоновской длине волны ; испарение такой частицы было вызвано как источник легких элементов в расширяющейся стационарной Вселенной. [44]
Астрофизик и космолог Нед Райт указал на недостатки модели. [45] Эти первые комментарии вскоре были опровергнуты сторонниками. [46] Райт и другие ведущие космологи, рассматривающие QSS, указали на новые недостатки и несоответствия с наблюдениями, которые сторонники оставили без объяснений. [47]
^ "Теория стационарного состояния". BBC . Получено 11 января 2015 г. Идеи теоретиков стационарного состояния сегодня в значительной степени дискредитированы...
^ Бонди, Герман; Голд, Томас (1948). "Теория стационарного состояния расширяющейся Вселенной". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 108 (3): 252. Bibcode : 1948MNRAS.108..252B. doi : 10.1093/mnras/108.3.252 .
^ Хойл, Фред (1948). «Новая модель расширяющейся Вселенной». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 108 (5): 372. Bibcode : 1948MNRAS.108..372H. doi : 10.1093/mnras/108.5.372 .
^ Kragh, Helge (2019). «Теория устойчивого состояния и космологическая полемика». В Kragh, Helge (ред.). Оксфордский справочник по истории современной космологии . стр. 161–205. doi :10.1093/oxfordhb/9780198817666.013.5. ISBN978-0-19-881766-6. Чикагский астроном Уильям Макмиллан не только предположил, что звезды и галактики равномерно распределены по бесконечному пространству, он также отрицал, «что Вселенная в целом когда-либо была или будет существенно отличаться от того, что она есть сегодня».
^ Райл и Кларк, «Исследование модели стационарного состояния в свете некоторых недавних наблюдений радиоисточников», MNRAW 122 (1961) 349
^ Голд, Т.; Хойл, Ф. (1 января 1959 г.). «Космические лучи и радиоволны как проявления горячей Вселенной». Ursi Symp. 1: Парижский симпозиум по радиоастрономии . 9 (9): 583. Bibcode : 1959IAUS....9..583G.
^ Gould, RJ; Burbidge, GR (1 ноября 1963 г.). "Рентгеновские лучи из Галактического центра, внешних галактик и межгалактической среды". The Astrophysical Journal . 138 : 969. Bibcode : 1963ApJ...138..969G. doi : 10.1086/147698. ISSN 0004-637X.
^ Пиблз, PJE (2022). Век космологии: внутренняя история нашего современного понимания вселенной . Принстон Оксфорд: Princeton University Press. ISBN9780691196022.
^ Вайнберг, Стивен (1972). Гравитация и космология . John Whitney & Sons. стр. 463–464. ISBN978-0-471-92567-5.
^ Краг, Хельге (1996-12-31). "Глава 7: От противоречий к маргинализации". Космология и противоречия. Princeton University Press. стр. 318–388. doi :10.1515/9780691227719-008. ISBN978-0-691-22771-9.
^ ab Elcio Abdalla; Guillermo Franco Abellán; et al. (11 марта 2022 г.), «Cosmology Intertwined: A Review of the Particle Physics, Astrophysics, and Cosmology Associated with the Cosmological Tensions and Anomalies», Journal of High Energy Astrophysics , 34 : 49, arXiv : 2203.06142v1 , Bibcode : 2022JHEAp..34...49A, doi : 10.1016/j.jheap.2022.04.002, S2CID 247411131
^ Аб Кришнан, Четан; Мохаяи, Ройя; Колгейн, Эоин О; Шейх-Джаббари, ММ; Инь, Лу (16 сентября 2021 г.). «Сигнализирует ли напряжение Хаббла о разрушении космологии FLRW?». Классическая и квантовая гравитация . 38 (18): 184001. arXiv : 2105.09790 . Бибкод : 2021CQGra..38r4001K. дои : 10.1088/1361-6382/ac1a81. ISSN 0264-9381. S2CID 234790314.
^ Asta Heinesen; Hayley J. Macpherson (15 июля 2021 г.). "Luminosity distance and anisotropic sky-sampling at low redshifts: A numeric relativity study". Physical Review D . 104 (2): 023525. arXiv : 2103.11918 . Bibcode :2021PhRvD.104b3525M. doi :10.1103/PhysRevD.104.023525. S2CID 232307363 . Получено 25 марта 2022 г. .
^ Жак Колин; Ройя Мохайаи; Мохамед Рамиз; Субир Саркар (20 ноября 2019 г.). «Доказательства анизотропии космического ускорения». Астрономия и астрофизика . 631 : L13. arXiv : 1808.04597 . Bibcode : 2019A&A...631L..13C. doi : 10.1051/0004-6361/201936373. S2CID 208175643. Получено 25 марта 2022 г.
^ Ли Биллингс (15 апреля 2020 г.). «Живем ли мы в перекошенной Вселенной?». Scientific American . Получено 24 марта 2022 г.
^ Migkas, K.; Schellenberger, G.; Reiprich, TH; Pacaud, F.; Ramos-Ceja, ME; Lovisari, L. (8 апреля 2020 г.). «Исследование космической изотропии с помощью нового образца рентгеновского скопления галактик с помощью масштабного соотношения LX-T». Astronomy & Astrophysics . 636 (апрель 2020 г.): 42. arXiv : 2004.03305 . Bibcode :2020A&A...636A..15M. doi :10.1051/0004-6361/201936602. S2CID 215238834 . Получено 24 марта 2022 г. .
^ Nathan J. Secrest; Sebastian von Hausegger; Mohamed Rameez; Roya Mohayaee; Subir Sarkar; Jacques Colin (25 февраля 2021 г.). «Проверка космологического принципа с помощью квазаров». The Astrophysical Journal Letters . 908 (2): L51. arXiv : 2009.14826 . Bibcode : 2021ApJ...908L..51S. doi : 10.3847/2041-8213/abdd40 . S2CID 222066749.
^ B. Javanmardi; C. Porciani; P. Kroupa; J. Pflamm-Altenburg (27 августа 2015 г.). "Probing the Isotropy of Cosmic Acceleration Traced By Type Ia Supernovae". The Astrophysical Journal Letters . 810 (1): 47. arXiv : 1507.07560 . Bibcode :2015ApJ...810...47J. doi :10.1088/0004-637X/810/1/47. S2CID 54958680 . Получено 24 марта 2022 г. .
^ «Просто, но сложно: Вселенная по Планку». ESA Science & Technology . 5 октября 2016 г. [21 марта 2013 г.] . Получено 29 октября 2016 г. .
↑ Деннис Скиама (12 июня 1967 г.). «Особенная скорость Солнца и реликтовое излучение космоса». Physical Review Letters . 18 (24): 1065–1067. Bibcode :1967PhRvL..18.1065S. doi :10.1103/PhysRevLett.18.1065 . Получено 25 марта 2022 г. .
^ GFR Ellis; JE Baldwin (1 января 1984 г.). «Об ожидаемой анизотропии количества радиоисточников». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 206 (2): 377–381. doi : 10.1093/mnras/206.2.377 . Получено 25 марта 2022 г.
^ Siewert, Thilo M.; Schmidt-Rubart, Matthias; Schwarz, Dominik J. (2021). "Космический радиодиполь: Оценки и зависимость от частоты". Astronomy & Astrophysics . 653 : A9. arXiv : 2010.08366 . Bibcode :2021A&A...653A...9S. doi :10.1051/0004-6361/202039840. S2CID 223953708.
^ Secrest, Nathan; von Hausegger, Sebastian; Rameez, Mohamed; Mohayaee, Roya; Sarkar, Subir; Colin, Jacques (25 февраля 2021 г.). «Проверка космологического принципа с помощью квазаров». The Astrophysical Journal . 908 (2): L51. arXiv : 2009.14826 . Bibcode :2021ApJ...908L..51S. doi : 10.3847/2041-8213/abdd40 . ISSN 2041-8213. S2CID 222066749.
^ Сингал, Ашок К. (2022). «Особое движение Солнечной системы из диаграммы Хаббла сверхновых Ia и его значение для космологии». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 515 (4): 5969–5980. arXiv : 2106.11968 . doi : 10.1093/mnras/stac1986 .
^ Сингал, Ашок К. (2022). «Пекулярное движение Солнечной системы по диаграмме Хаббла квазаров и проверка космологического принципа». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 511 (2): 1819–1829. arXiv : 2107.09390 . doi : 10.1093/mnras/stac144 .
^ de Oliveira-Costa, Angelica; Tegmark, Max; Zaldarriaga, Matias; Hamilton, Andrew (25 марта 2004 г.). "Значимость флуктуаций реликтового излучения самого большого масштаба в WMAP". Physical Review D. 69 ( 6): 063516. arXiv : astro-ph/0307282 . Bibcode : 2004PhRvD..69f3516D. doi : 10.1103/PhysRevD.69.063516. ISSN 1550-7998. S2CID 119463060.
↑ Лэнд, Кейт; Магейжу, Жуан (28 ноября 2005 г.). «Является ли Вселенная странной?». Physical Review D. 72 ( 10): 101302. arXiv : astro-ph/0507289 . Bibcode : 2005PhRvD..72j1302L. doi : 10.1103/PhysRevD.72.101302. ISSN 1550-7998. S2CID 119333704.
^ Ким, Джайсын; Насельский, Павел (10 мая 2010 г.). «Аномальная асимметрия четности данных спектра мощности зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона при низких мультиполях». The Astrophysical Journal . 714 (2): L265–L267. arXiv : 1001.4613 . Bibcode :2010ApJ...714L.265K. doi :10.1088/2041-8205/714/2/L265. ISSN 2041-8205. S2CID 24389919.
^ Готт, Дж. Ричард III; и др. (май 2005 г.). «Карта Вселенной». Астрофизический журнал . 624 (2): 463–484. arXiv : astro-ph/0310571 . Бибкод : 2005ApJ...624..463G. дои : 10.1086/428890. S2CID 9654355.
^ Хорват, И.; Хаккила, Дж.; Баголи, З. (2013). «Самая большая структура Вселенной, определяемая гамма-всплесками». arXiv : 1311.1104 [astro-ph.CO].
^ «Линия галактик настолько велика, что она нарушает наше понимание Вселенной».
^ Nadathur, Seshadri (2013). «Видим закономерности в шуме: гигапарсековые «структуры», которые не нарушают однородность». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 434 (1): 398–406. arXiv : 1306.1700 . Bibcode : 2013MNRAS.434..398N. doi : 10.1093/mnras/stt1028 . S2CID 119220579.
^ Хойл, Ф.; Бербидж, Г.; Нарликар, Дж. В. (1993). «Квазистационарная космологическая модель с созданием материи». The Astrophysical Journal . 410 : 437–457. Bibcode : 1993ApJ...410..437H. doi : 10.1086/172761 . Хойл, Ф.; Бербидж, Г.; Нарликар, Дж. В. (1994). «Астрофизические выводы из квазистационарной космологии». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 267 (4): 1007–1019. Bibcode : 1994MNRAS.267.1007H. doi : 10.1093/mnras/267.4.1007 . hdl : 11007/1133. Хойл, Ф.; Бербидж, Г.; Нарликар, Дж. В. (1994). "Астрофизические выводы из квазистационарного состояния: исправление". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 269 (4): 1152. Bibcode : 1994MNRAS.269.1152H. doi : 10.1093/mnras/269.4.1152 . Хойл, Ф.; Бербидж, Г.; Нарликар, Дж. В. (1994). «Дополнительные астрофизические величины, ожидаемые в квазистационарном состоянии Вселенной». Астрономия и астрофизика . 289 (3): 729–739. Bibcode : 1994A&A...289..729H. Хойл, Ф.; Бербидж, Г.; Нарликар, Дж. В. (1995). "Основная теория, лежащая в основе космологической модели квазистационарного состояния". Труды Королевского общества A. 448 ( 1933): 191. Bibcode : 1995RSPSA.448..191H. doi : 10.1098/rspa.1995.0012. S2CID 53449963.
^ Narlikar, JV; Vishwakarma, RG; Burbidge, G. (2002). «Интерпретации ускоряющейся Вселенной». Публикации Астрономического общества Тихого океана . 114 (800): 1092–1096. arXiv : astro-ph/0205064 . Bibcode :2002PASP..114.1092N. doi :10.1086/342374. S2CID 15456774.
^ Хойл, Ф. (1993). «Синтез легких элементов в файрболах Планка». Астрофизика и космическая наука . 198 (2): 177–193. doi :10.1007/BF00644753. S2CID 121245869.
^ Райт, Э. Л. (1994). «Комментарии к квазистационарной космологии». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 276 (4): 1421. arXiv : astro-ph/9410070 . Bibcode : 1995MNRAS.276.1421W. doi : 10.1093/mnras/276.4.1421 . S2CID 118904109.
^ Хойл, Ф.; Бербидж, Г.; Нарликар, Дж. В. (1994). «Заметка о комментарии Эдварда Л. Райта». arXiv : astro-ph/9412045 .
^ Райт, Э. Л. (20 декабря 2010 г.). «Ошибки в моделях стационарного состояния и квазистационарного состояния». Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе , кафедра физики и астрономии.
Дальнейшее чтение
Бербидж, Г., Хойл, Ф., «Происхождение гелия и других легких элементов», The Astrophysical Journal, 509: L1–L3, 10 декабря 1998 г.