Наблюдения показывают, что расширение Вселенной ускоряется , так что скорость , с которой далекая галактика удаляется от наблюдателя, постоянно увеличивается со временем . [1] [2] [3] Ускоренное расширение Вселенной было обнаружено в 1998 году двумя независимыми проектами, Проектом космологии сверхновых и Командой поиска сверхновых с высоким Z , которая использовала 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, находящиеся дальше, кажутся более тусклыми, наблюдаемую яркость этих сверхновых можно использовать для измерения расстояние до них. Тогда это расстояние можно сравнить с космологическим красным смещением сверхновой , которое измеряет, насколько расширилась Вселенная с момента возникновения сверхновой; Закон Хаббла установил, что чем дальше находится объект, тем быстрее он удаляется. Неожиданным результатом стало то, что объекты во Вселенной удаляются друг от друга с возрастающей скоростью. Космологи того времени ожидали, что скорость удаления всегда будет замедляться из-за гравитационного притяжения материи во Вселенной. Трое членов этих двух групп впоследствии были удостоены Нобелевской премии 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 , что эквивалентно наличию положительной энергии вакуума , получившей название « темной энергии ». Хотя существуют альтернативные возможные объяснения, описание, предполагающее темную энергию (положительное Λ ), используется в текущей стандартной модели космологии , которая также включает холодную темную материю (CDM) и известна как модель Lambda-CDM .
За десятилетия, прошедшие с момента обнаружения космического микроволнового фона (CMB) в 1965 году, [9] модель Большого взрыва стала наиболее общепринятой моделью, объясняющей эволюцию нашей Вселенной. Уравнение Фридмана определяет, как энергия Вселенной управляет ее расширением.
где κ представляет кривизну Вселенной , a ( t ) — масштабный фактор , ρ — полная плотность энергии Вселенной, а H — параметр Хаббла . [10]
Определим критическую плотность
Затем мы можем переписать параметр Хаббла как
где четырьмя предполагаемыми в настоящее время вкладчиками в плотность энергии Вселенной являются кривизна , материя , излучение и темная энергия . [11] Каждый из компонентов уменьшается с расширением Вселенной (увеличением масштабного коэффициента), за исключением, пожалуй, члена темной энергии. Именно значения этих космологических параметров физики используют для определения ускорения Вселенной.
Уравнение ускорения описывает эволюцию масштабного фактора со временем.
где давление P определяется выбранной космологической моделью. (см. поясняющие модели ниже)
Физики одно время были настолько уверены в замедлении расширения Вселенной, что ввели так называемый параметр замедления q 0 . [12] Текущие наблюдения показывают, что этот параметр замедления отрицательный.
Согласно теории космической инфляции , очень ранняя Вселенная пережила период очень быстрого квазиэкспоненциального расширения. Хотя временные рамки этого периода расширения были намного короче, чем нынешние, это был период ускоренного расширения, имеющий некоторое сходство с нынешней эпохой.
Определение «ускоряющегося расширения» заключается в том, что вторая производная по времени космического масштабного фактора положительна, что эквивалентно отрицательному значению параметра замедления . Однако обратите внимание, что это не означает, что параметр Хаббла увеличивается со временем. Поскольку параметр Хаббла определяется как , из определений следует, что производная параметра Хаббла определяется выражением
поэтому параметр Хаббла уменьшается со временем, если только . Наблюдения предпочитают , что подразумевает, что это положительно, но отрицательно. По сути, это означает, что скорость космического удаления любой конкретной галактики увеличивается со временем, но отношение ее скорости к расстоянию все еще уменьшается; таким образом, разные галактики, расширяющиеся по сфере фиксированного радиуса, в более позднее время пересекают сферу медленнее.
Как видно из вышеизложенного, случай «нулевого ускорения/замедления» соответствует – линейной функции от , , , и .
Скорость расширения Вселенной можно проанализировать, используя соотношение величины и красного смещения астрономических объектов с помощью стандартных свечей или их соотношение расстояние-красное смещение с помощью стандартных линеек . Также фактором является рост крупномасштабной структуры , поскольку наблюдаемые значения космологических параметров лучше всего описываются моделями, которые включают ускоряющееся расширение.
В 1998 году первые доказательства ускорения были получены в результате наблюдения сверхновых типа Ia , которые представляют собой взрывающиеся звезды -белые карлики , превысившие свой предел устойчивости . Поскольку все они имеют одинаковую массу, их внутреннюю светимость можно стандартизировать. Повторные изображения выбранных участков неба используются для обнаружения сверхновых, затем последующие наблюдения дают их максимальную яркость, которая преобразуется в величину, известную как расстояние светимости ( подробнее см. Меры расстояний в космологии ). [13] Спектральные линии их света можно использовать для определения их красного смещения .
Для сверхновых с красным смещением менее 0,1 или временем прохождения света менее 10 процентов от возраста Вселенной это дает почти линейную зависимость расстояния от красного смещения в соответствии с законом Хаббла . На больших расстояниях, поскольку скорость расширения Вселенной со временем менялась, соотношение расстояния и красного смещения отклоняется от линейности, и это отклонение зависит от того, как скорость расширения изменилась с течением времени. Полный расчет требует компьютерной интеграции уравнения Фридмана, но простой вывод можно дать следующим образом: красное смещение z непосредственно дает космический масштабный коэффициент на момент взрыва сверхновой.
Таким образом, сверхновая с измеренным красным смещением z = 0,5 означает, что Вселенная была1/1 + 0,5 "=" 2/3своего нынешнего размера на момент взрыва сверхновой. В случае ускоренного расширения положителен; следовательно, в прошлом он был меньше, чем сегодня. Таким образом, ускоряющейся Вселенной потребовалось больше времени, чтобы расшириться с 2/3 до 1 раза от своего нынешнего размера по сравнению с неускоряющейся Вселенной с постоянным и таким же современным значением постоянной Хаббла. Это приводит к большему времени прохождения света, большему расстоянию и более тусклым сверхновым, что соответствует реальным наблюдениям. Адам Рисс и др. обнаружили, что «расстояния до SNe Ia с большим красным смещением были в среднем на 10–15% 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 близкими расстояниями для замедляющейся Вселенной. [15]
Некоторые исследователи поставили под сомнение мнение большинства об ускорении или предположении о « космологическом принципе » (что Вселенная однородна и изотропна). [16] Например, в статье 2019 года был проанализирован каталог сверхновых типа Ia Joint Light-curve Analysis, содержащий в десять раз больше сверхновых, чем было использовано в анализе 1998 года, и был сделан вывод, что доказательств существования «монополя» мало, что то есть для 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 фотон-барионной плазме сжимались под действием силы тяжести до тех пор, пока давление не становилось слишком большим, и они снова расширялись. [12] Это сжатие и расширение создавало вибрации в плазме, аналогичные звуковым волнам . Поскольку темная материя взаимодействует только гравитационно , она осталась 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. В результате оболочки барионной материи остались на фиксированном радиусе от сверхплотностей темной материи, на расстоянии, известном как звуковой горизонт. Шло время и Вселенная расширялась, и именно в этих неоднородностях плотности материи начали формироваться галактики. Таким образом, глядя на расстояния, на которых галактики с разными красными смещениями имеют тенденцию группироваться, можно определить стандартное расстояние углового диаметра и использовать его для сравнения с расстояниями, предсказанными различными космологическими моделями.
В корреляционной функции (вероятности того, что две галактики окажутся на определенном расстоянии друг от друга) были обнаружены пики на частоте 100 ч −1 Мпк [ 11] (где h — безразмерная постоянная Хаббла ), что указывает на то, что это размер звукового горизонта. сегодня, и сравнивая это со звуковым горизонтом во время разделения (с использованием реликтового излучения), мы можем подтвердить ускоренное расширение Вселенной. [20]
Измерение функций масс скоплений галактик , которые описывают плотность скоплений выше пороговой массы, также предоставляет доказательства существования темной энергии [ требуется дальнейшее объяснение ] . [21] Путем сравнения этих массовых функций при высоких и низких красных смещениях с теми, которые предсказываются различными космологическими моделями, получены значения 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 получить возраст Вселенной.
Сравнивая это с фактически измеренными значениями космологических параметров, мы можем подтвердить обоснованность модели, которая ускоряется сейчас и имела более медленное расширение в прошлом. [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 измеренное значение постоянной Хаббла составило примерно 70 километров в секунду на мегапарсек. [22] Амплитуда деформации «h» зависит от массы объектов, вызывающих волны, расстояний от точки наблюдения и частоты обнаружения гравитационных волн. Соответствующие 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 сравнительно равномерно распределяется в пространстве.
где c — скорость света, а ρ — плотность энергии. Различные теории темной энергии предполагают разные значения w , при этом w < -1/3для космического ускорения (это приводит к положительному значению ä в приведенном выше уравнении ускорения).
Самое простое объяснение темной энергии состоит в том, что это космологическая постоянная или энергия вакуума ; в этом случае w = −1 . Это приводит к модели Lambda-CDM , которая с 2003 года по настоящее время известна как Стандартная модель космологии, поскольку это простейшая модель, хорошо согласующаяся с множеством недавних наблюдений. Рисс и др. обнаружили, что их результаты наблюдений сверхновых говорят в пользу расширяющихся моделей с положительной космологической постоянной ( Ω λ > 0 ) и текущего ускоренного расширения ( q 0 < 0 ). [14]
Текущие наблюдения допускают возможность создания космологической модели, содержащей компонент темной энергии с уравнением состояния w < −1 . Эта фантомная плотность энергии станет бесконечной за конечное время, вызвав такое огромное гравитационное отталкивание, что Вселенная потеряет всю структуру и закончится Большим Разрывом . [26] Например, для w = −3/2и 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. Некоторыми примерами являются квинтэссенция , предложенная 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 при наблюдениях сверхновых), 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] Альтернативно, некоторые авторы утверждали, что ускоренное расширение Вселенной могло быть связано с отталкивающим гравитационным взаимодействием антиматерии [31] [32] [33] или отклонением законов гравитации от общей теории относительности, например, массивной гравитацией. Это означает, что сами гравитоны имеют массу. [34] Измерение скорости гравитации с помощью гравитационного 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 неоднородна, но Земля находится в области, где расширение быстрее, чем фон. Неоднородности ранней Вселенной вызывают образование стенок и пузырей, где внутри пузыря меньше вещества, чем в среднем. Согласно общей теории относительности, пространство менее искривлено, чем стены, и поэтому имеет больший объем и более высокую скорость расширения. В более плотных регионах расширение замедляется из-за более сильного гравитационного притяжения. Следовательно, коллапс внутрь более плотных областей выглядит так же, как ускоряющееся расширение пузырей, что приводит нас к выводу, что Вселенная подвергается ускоренному расширению. [41] Преимущество состоит в том, что для этого не требуется никакой новой физики, такой как темная энергия. Рясянен не считает эту модель вероятной, но без какой-либо фальсификации она должна оставаться возможной. Для работы потребуются довольно большие колебания 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 космоса, наблюдаемую скорость космического расширения можно принять за изменение во времени или ускорение. [42] [43] [44] [45] Другой подход использует космологическое расширение принципа эквивалентности , чтобы показать, как пространство может расширяться быстрее в пустотах, окружающих наше локальное скопление. Несмотря на свою слабость, такие эффекты, если рассматривать их в совокупности за миллиарды лет, могут стать значительными, создавая иллюзию космического ускорения и создавая впечатление, будто мы живем в пузыре Хаббла . [46] [47] [48] Другие возможности заключаются в том, что ускоренное расширение Вселенной является иллюзией, вызванной нашим относительным движением к остальной части Вселенной, [49] [50] или что использованный размер выборки сверхновых не был достаточно большим. [51] [52]
По мере расширения Вселенной плотность излучения и обычной темной материи снижается быстрее, чем плотность темной энергии (см. уравнение состояния ), и, в конечном итоге, темная энергия начинает доминировать. В частности, когда масштаб Вселенной увеличивается вдвое, плотность материи уменьшается в 8 раз, но плотность темной энергии почти не меняется (она в точности постоянна, если темная энергия является космологической константой ). [12]
В моделях, где темная энергия является космологической константой, Вселенная в далеком будущем будет экспоненциально расширяться со временем, приближаясь все ближе и ближе к вселенной де Ситтера . В конечном итоге это приведет к исчезновению всех доказательств Большого взрыва, поскольку космический микроволновый фон сместится в красную сторону в сторону более низких интенсивностей и более длинных волн. В конце концов, его частота станет достаточно низкой, чтобы быть поглощенной межзвездной средой и, таким образом, экранироваться от любого наблюдателя внутри галактики. Это произойдет, когда возраст Вселенной будет менее чем в 50 раз больше ее нынешнего возраста, что приведет к концу космологии, какой мы ее знаем, поскольку далекая Вселенная потемнеет. [53]
Постоянно расширяющаяся Вселенная с ненулевой космологической постоянной имеет плотность массы, уменьшающуюся с течением времени. В таком сценарии нынешнее понимание состоит в том, что вся материя будет ионизироваться и распадаться на изолированные стабильные частицы, такие как электроны и нейтрино , при этом все сложные структуры рассеются. [54] Этот сценарий известен как « тепловая смерть Вселенной » (также известная как « Большое замораживание »).
Альтернативы окончательной судьбе Вселенной включают упомянутый выше Большой Разрыв , Большой Отскок или Большое Сжатие .
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link){{cite journal}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)