В физической космологии и астрономии темная энергия — это неизвестная форма энергии , которая влияет на Вселенную в крупнейших масштабах. Его основной эффект заключается в ускорении расширения Вселенной . Если предположить, что космологическая модель лямбда-CDM верна, [1] темная энергия является доминирующим компонентом Вселенной, на ее долю приходится 68% общей энергии в современной наблюдаемой Вселенной, в то время как вклад темной материи и обычной (барионной) материи 26 % и 5% соответственно, а другие компоненты, такие как нейтрино и фотоны, практически незначительны. [2] [3] [4] [5] Плотность темной энергии очень мала:6 × 10 −10 Дж/м 3 (≈7 × 10-30 г/см 3 ) , намного меньше плотности обычной материи или темной материи внутри галактик. Однако он доминирует в массо-энергетическом составе Вселенной, поскольку он однороден в пространстве. [6] [7] [8]
Первые наблюдательные доказательства существования темной энергии были получены в результате измерений сверхновых . Сверхновые типа 1А имеют постоянную светимость, что означает, что их можно использовать в качестве точного средства измерения расстояний. Сравнение этого расстояния с красным смещением (которое измеряет скорость удаления сверхновой) показывает, что расширение Вселенной ускоряется . [9] [10] До этого наблюдения ученые думали, что гравитационное притяжение материи и энергии во Вселенной приведет к замедлению расширения Вселенной с течением времени. С момента открытия ускоряющегося расширения было обнаружено несколько независимых линий доказательств, подтверждающих существование темной энергии.
Точная природа темной энергии остается загадкой, и объяснений имеется множество. Основными кандидатами являются космологическая постоянная [11] [12] (представляющая постоянную плотность энергии, однородно заполняющую пространство) и скалярные поля (динамические величины, плотность энергии которых меняется во времени и пространстве), такие как квинтэссенция или модули . Космологическая постоянная останется постоянной во времени и пространстве, тогда как скалярные поля могут меняться. Еще одними возможностями являются взаимодействие темной энергии, наблюдательный эффект и космологическая связь (см. раздел «Теории темной энергии»).
« Космологическая постоянная » — это постоянный член, который можно добавить к уравнениям поля Эйнштейна в общей теории относительности . Если рассматривать его как «исходный член» в уравнении поля, его можно рассматривать как эквивалент массы пустого пространства (которая концептуально может быть как положительной, так и отрицательной) или « энергии вакуума ».
Космологическая постоянная была впервые предложена Эйнштейном как механизм для получения решения уравнения гравитационного поля , которое привело бы к статической Вселенной, эффективно используя темную энергию для баланса гравитации. [13] Эйнштейн дал космологической постоянной символ Λ (заглавная лямбда). Эйнштейн заявил, что космологическая постоянная требует, чтобы «пустое пространство играло роль гравитирующих отрицательных масс , которые распределены по всему межзвездному пространству». [14] [15]
Этот механизм был примером тонкой настройки , и позже стало понятно, что статическая Вселенная Эйнштейна не будет стабильной: локальные неоднородности в конечном итоге приведут либо к безудержному расширению, либо к сжатию Вселенной. Равновесие неустойчиво: если Вселенная немного расширяется, то при расширении высвобождается энергия вакуума, что приводит к еще большему расширению . Аналогично, Вселенная, которая слегка сжимается, будет продолжать сжиматься. По мнению Эйнштейна, «пустое пространство» может обладать собственной энергией. Поскольку эта энергия является свойством самого пространства, она не будет растворяться по мере расширения пространства. По мере возникновения большего пространства будет появляться больше этой энергии пространства, тем самым вызывая ускоренное расширение. [16] Подобные возмущения неизбежны из-за неравномерного распределения материи во Вселенной. Кроме того, наблюдения, сделанные Эдвином Хабблом в 1929 году, показали, что Вселенная расширяется и не является статичной. Сообщается, что Эйнштейн назвал свою неспособность предсказать идею динамической Вселенной, в отличие от статической Вселенной, своей величайшей ошибкой. [17]
Алан Гут и Алексей Старобинский в 1980 году предположили, что поле отрицательного давления, по своей концепции похожее на темную энергию, могло вызывать космическую инфляцию в очень ранней Вселенной. Инфляция постулирует, что некая сила отталкивания, качественно подобная темной энергии, привела к огромному и экспоненциальному расширению Вселенной вскоре после Большого взрыва . Такое расширение является существенной особенностью большинства современных моделей Большого взрыва. Однако инфляция должна была произойти при гораздо более высокой (отрицательной) плотности энергии, чем темная энергия, которую мы наблюдаем сегодня, и считается, что инфляция полностью прекратилась, когда Вселенной было всего лишь долю секунды. Неясно, какая связь существует между темной энергией и инфляцией. Даже после того, как инфляционные модели были приняты, космологическая постоянная считалась нерелевантной для современной Вселенной.
Почти все модели инфляции предсказывают, что общая плотность (материи + энергии) Вселенной должна быть очень близка к критической плотности . В 1980-х годах большинство космологических исследований было сосредоточено на моделях только с критической плотностью материи, обычно состоящей из 95% холодной темной материи (CDM) и 5% обычной материи (барионов). Было обнаружено, что эти модели успешно формируют реалистичные галактики и скопления, но в конце 1980-х годов появились некоторые проблемы: в частности, модель требовала значения постоянной Хаббла ниже , чем предпочитали наблюдения, и модель недооценивала наблюдения больших -масштабная кластеризация галактик. Эти трудности усилились после открытия анизотропии космического микроволнового фона космическим кораблем COBE в 1992 году, и в середине 1990-х годов активно изучались несколько модифицированных моделей CDM: в их число входила модель Lambda-CDM и смешанная холодная/горячая темная модель. модель материи. Первые прямые доказательства существования темной энергии были получены в результате наблюдений ускоренного расширения сверхновых в 1998 году Рисса и др. [18] и в Perlmutter et al. , [19] и модель Lambda-CDM затем стала ведущей моделью. Вскоре после этого темная энергия была подтверждена независимыми наблюдениями: в 2000 году эксперименты по космическому микроволновому фону BOOMERanG и Maxima наблюдали первый акустический пик космического микроволнового фона, показав, что общая плотность (материи + энергии) близка к 100% критической. плотность. Затем, в 2001 году, исследование красного смещения галактик 2dF дало убедительные доказательства того, что плотность материи составляет около 30% от критической. Большая разница между этими двумя поддерживает плавный компонент темной энергии, компенсирующий разницу. Гораздо более точные измерения с помощью WMAP в 2003–2010 годах продолжали поддерживать стандартную модель и давать более точные измерения ключевых параметров.
Термин «темная энергия», перекликающийся с «темной материей» Фрица Цвикки 1930-х годов, был придуман Майклом Тернером в 1998 году. [20]
Высокоточные измерения расширения Вселенной необходимы, чтобы понять, как скорость расширения меняется во времени и пространстве. В общей теории относительности эволюция скорости расширения оценивается на основе кривизны Вселенной и космологического уравнения состояния (отношения между температурой, давлением и совокупной плотностью материи, энергии и энергии вакуума для любой области пространства). Измерение уравнения состояния темной энергии — одно из крупнейших усилий в наблюдательной космологии сегодня. Добавление космологической постоянной к стандартной космологической метрике FLRW приводит к модели Lambda-CDM, которую называют « стандартной моделью космологии » из-за ее точного согласия с наблюдениями.
По состоянию на 2013 год модель Lambda-CDM соответствует ряду все более строгих космологических наблюдений, включая космический корабль «Планк» и исследование наследия сверхновых. Первые результаты SNLS показывают, что среднее поведение (то есть уравнение состояния) темной энергии ведет себя как космологическая постоянная Эйнштейна с точностью до 10%. [21] Недавние результаты команды Higher-Z космического телескопа «Хаббл» показывают, что темная энергия присутствовала, по крайней мере, 9 миллиардов лет и в течение периода, предшествовавшего космическому ускорению. [ нужна цитата ]
Природа темной энергии более гипотетична, чем природа темной материи, и многие вещи о ней остаются в сфере предположений. [22] Темная энергия считается очень однородной и неплотной , и не известно, что она взаимодействует через какие-либо фундаментальные силы , кроме гравитации . Поскольку он разреженный и немассивный — примерно 10–27 кг /м 3 — его вряд ли удастся обнаружить в лабораторных экспериментах. Причина, по которой темная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную, составляя 68% вселенской плотности, несмотря на то, что она настолько разрежена, заключается в том, что считается, что она равномерно заполняет пустое пространство.
Энергия вакуума , то есть пары частица-античастица, генерируемые и взаимно уничтожающиеся в течение определенного периода времени в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга в формулировке энергии-времени, часто упоминается как основной вклад в темную энергию. [23] Эквивалентность массы и энергии, постулируемая общей теорией относительности, подразумевает, что энергия вакуума должна оказывать гравитационное воздействие. Следовательно, ожидается, что энергия вакуума внесет вклад в космологическую постоянную , что, в свою очередь, влияет на ускоренное расширение Вселенной . Однако проблема космологической постоянной утверждает, что существует огромное расхождение между наблюдаемыми значениями плотности энергии вакуума и теоретически большим значением нулевой энергии, полученным с помощью квантовой теории поля ; проблема остается нерешенной.
Независимо от своей фактической природы, темная энергия должна иметь сильное отрицательное давление, чтобы объяснить наблюдаемое ускорение расширения Вселенной . Согласно общей теории относительности, давление внутри вещества способствует его гравитационному притяжению к другим объектам так же, как и плотность его массы. Это происходит потому, что физической величиной, которая заставляет материю создавать гравитационные эффекты, является тензор энергии-импульса , который содержит как плотность энергии (или материи) вещества, так и его давление. В метрике Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера можно показать, что сильное постоянное отрицательное давление ( т. е. напряжение) во всей Вселенной вызывает ускорение расширения, если Вселенная уже расширяется, или замедление сжатия, если Вселенная уже сжимается. Этот эффект ускорения расширения иногда называют «гравитационным отталкиванием».
В стандартной космологии существует три компонента Вселенной: материя, излучение и темная энергия. Материя — это все, чья плотность энергии масштабируется пропорционально обратному кубу масштабного коэффициента, т. е. ρ ∝ a −3 , тогда как излучение — это все, что масштабируется до обратной четвертой степени масштабного коэффициента ( ρ ∝ a −4 ). Это можно понять интуитивно: для обычной частицы в кубе удвоение длины края ящика уменьшает плотность (и, следовательно, плотность энергии) в восемь раз (2 3 ) . Для излучения уменьшение плотности энергии больше, поскольку увеличение пространственного расстояния также вызывает красное смещение. [24]
Последним компонентом является темная энергия: она является внутренним свойством пространства и имеет постоянную плотность энергии, независимо от размеров рассматриваемого объема ( ρ ∝ a 0 ). Таким образом, в отличие от обычной материи, она не разжижается при расширении пространства.
Доказательства существования темной энергии косвенны, но поступают из трех независимых источников:
В 1998 году группа по поиску сверхновых High-Z [18] опубликовала наблюдения сверхновых типа Ia («один-А») . В 1999 году в рамках проекта «Космология сверхновых» [19] последовало предположение, что расширение Вселенной ускоряется . [26] Нобелевская премия по физике 2011 года была присуждена Солу Перлмуттеру , Брайану П. Шмидту и Адаму Г. Риссу за их лидерство в открытии. [27] [28]
С тех пор эти наблюдения были подтверждены несколькими независимыми источниками. Измерения космического микроволнового фона , гравитационного линзирования и крупномасштабной структуры космоса , а также улучшенные измерения сверхновых согласуются с моделью Lambda-CDM . [29] Некоторые люди утверждают, что единственным указанием на существование темной энергии являются наблюдения за измерениями расстояний и связанными с ними красными смещениями. Анизотропия космического микроволнового фона и барионные акустические колебания служат только для демонстрации того, что расстояния до данного красного смещения больше, чем можно было бы ожидать, исходя из «пылевой» Вселенной Фридмана-Леметра и локальной измеренной постоянной Хаббла. [30]
Сверхновые полезны для космологии, потому что они являются отличными стандартными свечами на космологических расстояниях. Они позволяют исследователям измерить историю расширения Вселенной, глядя на взаимосвязь между расстоянием до объекта и его красным смещением , которое показывает, насколько быстро он удаляется от нас. Согласно закону Хаббла , зависимость примерно линейная . Измерить красное смещение относительно легко, но найти расстояние до объекта сложнее. Обычно астрономы используют стандартные свечи: объекты, для которых известна собственная яркость, или абсолютная величина . Это позволяет измерить расстояние до объекта по его фактической наблюдаемой яркости или видимой звездной величине . Сверхновые типа Ia — самые известные стандартные свечи на космологических расстояниях из-за их чрезвычайной и постоянной яркости .
Недавние наблюдения сверхновых согласуются с тем, что Вселенная на 71,3% состоит из темной энергии и на 27,4% из комбинации темной материи и барионной материи . [31]
Теория крупномасштабной структуры , которая управляет образованием структур во Вселенной ( звёзд , квазаров , галактик , а также групп и скоплений галактик ), также предполагает, что плотность материи во Вселенной составляет лишь 30% от критической плотности.
Исследование 2011 года, WiggleZ, охватывающее более 200 000 галактик, предоставило дополнительные доказательства существования темной энергии, хотя точная физика, лежащая в ее основе, остается неизвестной. [32] [33] Обзор WiggleZ, проведенный Австралийской астрономической обсерваторией, просканировал галактики, чтобы определить их красное смещение. Затем, используя тот факт, что барионные акустические колебания регулярно оставляют пустоты диаметром ≈150 Мпк, окруженные галактиками, пустоты использовались в качестве стандартных линеек для оценки расстояний до галактик до 2000 Мпк (красное смещение 0,6), что позволило точно оценка скоростей галактик по их красному смещению и расстоянию. Данные подтвердили космическое ускорение до половины возраста Вселенной (7 миллиардов лет) и ограничивают ее неоднородность до 1 части из 10. [33] Это обеспечивает подтверждение того, что космическое ускорение не зависит от сверхновых.
Существование темной энергии в любой форме необходимо для согласования измеренной геометрии пространства с общим количеством материи во Вселенной. Измерения анизотропии космического микроволнового фона показывают, что Вселенная близка к плоской . Чтобы форма Вселенной была плоской, плотность массы-энергии Вселенной должна быть равна критической плотности . Общее количество материи во Вселенной (включая барионы и темную материю ), измеренное по спектру космического микроволнового фона, составляет лишь около 30% критической плотности. Это подразумевает существование дополнительной формы энергии, на долю которой приходится оставшиеся 70%. [29] Семилетний анализ космического аппарата Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) позволил оценить, что Вселенная состоит на 72,8% из темной энергии, на 22,7% из темной материи и на 4,5% из обычной материи. [4] Работа, проделанная в 2013 году на основе наблюдений космического микроволнового фона космическим кораблем «Планк», дала более точную оценку: 68,3% темной энергии, 26,8% темной материи и 4,9% обычной материи. [35]
Ускоренное космическое расширение приводит к тому, что гравитационные потенциальные ямы и холмы сглаживаются по мере того, как фотоны проходят через них, создавая холодные и горячие точки на космическом микроволновом фоне, выровненные с огромными сверхпустотами и сверхскоплениями. Этот так называемый интегрированный эффект Сакса-Вольфа (ISW) позднего времени является прямым сигналом о наличии темной энергии в плоской Вселенной. [36] В 2008 году Ho et al. сообщили о высокой значимости этого явления . [37] и Giannantonio et al. [38]
Новый подход к проверке доказательств темной энергии с помощью наблюдательных данных постоянной Хаббла (OHD), также известный как космические хронометры, в последние годы привлек значительное внимание. [39] [40] [41] [42]
Постоянная Хаббла H ( z ) измеряется как функция космологического красного смещения . OHD напрямую отслеживает историю расширения Вселенной, принимая пассивно развивающиеся галактики раннего типа в качестве «космических хронометров». [43] С этого момента этот подход обеспечивает стандартные часы во Вселенной. Ядром этой идеи является измерение дифференциальной возрастной эволюции в зависимости от красного смещения этих космических хронометров. Таким образом, он дает прямую оценку параметра Хаббла.
Опора на дифференциальную величину,Δ з/Δ т, дает больше информации и удобен для вычислений: он может минимизировать многие распространенные проблемы и систематические эффекты. Анализ сверхновых и барионных акустических колебаний (БАО) основан на интегралах параметра Хаббла, тогда какΔ з/Δ т измеряет это напрямую. По этим причинам этот метод широко использовался для изучения ускоренного космического расширения и изучения свойств темной энергии. [ нужна цитата ]
Статус темной энергии как гипотетической силы с неизвестными свойствами делает ее активным объектом исследований. Проблема рассматривается с разных точек зрения, таких как изменение преобладающей теории гравитации (общая теория относительности), попытки определить свойства темной энергии и поиск альтернативных способов объяснения данных наблюдений.
Самое простое объяснение темной энергии состоит в том, что это внутренняя, фундаментальная энергия пространства. Это космологическая постоянная, обычно обозначаемая греческой буквой Λ (лямбда, отсюда и название модели Lambda-CDM ). Поскольку энергия и масса связаны уравнением E = mc 2 , общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что эта энергия будет иметь гравитационный эффект. Ее иногда называют энергией вакуума , потому что это плотность энергии пустого пространства – вакуума .
Основная нерешенная проблема заключается в том, что те же квантовые теории поля предсказывают огромную космологическую постоянную , примерно на 120 порядков большую. Это нужно было бы почти, но не точно, компенсировать столь же большим членом противоположного знака. [12]
Некоторые суперсимметричные теории требуют, чтобы космологическая постоянная была точно равна нулю. [46] Кроме того, неизвестно, существует ли метастабильное вакуумное состояние в теории струн с положительной космологической константой, [47] и это было высказано Ульфом Даниэльссоном и др. что такого государства не существует. [48] Эта гипотеза не исключает других моделей темной энергии, таких как квинтэссенция, которые могут быть совместимы с теорией струн. [47]
В моделях квинтэссенции темной энергии наблюдаемое ускорение масштабного фактора вызвано потенциальной энергией динамического поля , называемого полем квинтэссенции. Квинтэссенция отличается от космологической постоянной тем, что может изменяться в пространстве и времени. Чтобы оно не слипалось и не образовывало структуру, подобную материи, поле должно быть очень легким, чтобы оно имело большую комптоновскую длину волны . В простейших сценариях поле квинтэссенции имеет канонический кинетический член, минимально связано с гравитацией и не содержит операций более высокого порядка в своем лагранжиане.
Доказательств существования квинтэссенции пока нет, и она не исключена. Обычно он предсказывает немного более медленное ускорение расширения Вселенной, чем космологическая постоянная. Некоторые ученые считают, что лучшим доказательством квинтэссенции могут быть нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и изменение фундаментальных констант в пространстве или времени. [49] Скалярные поля предсказываются Стандартной моделью физики элементарных частиц и теорией струн , но возникает проблема, аналогичная проблеме космологической постоянной (или проблеме построения моделей космологической инфляции ): теория перенормировки предсказывает, что скалярные поля должны приобретать большие массы. .
Проблема совпадений спрашивает, почему ускорение Вселенной началось именно тогда. Если бы ускорение началось во Вселенной раньше, такие структуры, как галактики , никогда бы не успели сформироваться, и жизнь, по крайней мере, в том виде, в каком мы ее знаем, никогда бы не имела шанса на существование. Сторонники антропного принципа рассматривают это как подтверждение своих аргументов. Однако многие модели квинтэссенции имеют так называемое «трекерное» поведение, которое решает эту проблему. В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая точно соответствует (но меньше) плотности излучения до тех пор, пока не будет достигнуто равенство материи и излучения , что заставляет квинтэссенцию начать вести себя как темная энергия, в конечном итоге доминируя во Вселенной. Это естественным образом устанавливает низкую энергетическую шкалу темной энергии. [50] [51]
В 2004 году, когда ученые сопоставили эволюцию темной энергии с космологическими данными, они обнаружили, что уравнение состояния, возможно, пересекло границу космологической постоянной (w = -1) сверху вниз. Доказана недопустимая теорема о том, что для этого сценария требуются модели как минимум с двумя типами квинтэссенции . Этот сценарий является так называемым сценарием Квинтома . [52]
Некоторыми особыми случаями квинтэссенции являются фантомная энергия , в которой плотность энергии квинтэссенции фактически увеличивается со временем, и k-эссенция (сокращение от кинетической квинтэссенции), которая имеет нестандартную форму кинетической энергии , такую как отрицательная кинетическая энергия . [53] Они могут обладать необычными свойствами: фантомная энергия , например, может вызвать Большой Разрыв .
В 2021 году группа исследователей заявила, что наблюдения за натяжением Хаббла могут означать, что жизнеспособны только модели квинтэссенции с ненулевой константой связи . [54]
Этот класс теорий пытается создать всеобъемлющую теорию как темной материи, так и темной энергии как единого явления, которое изменяет законы гравитации в различных масштабах. Это могло бы, например, рассматривать темную энергию и темную материю как разные грани одного и того же неизвестного вещества [55] или постулировать, что холодная темная материя распадается на темную энергию. [56] Другим классом теорий, объединяющих темную материю и темную энергию, являются ковариантные теории модифицированной гравитации. Эти теории изменяют динамику пространства-времени таким образом, что модифицированная динамика связана с тем, что было приписано присутствию темной энергии и темной материи. [57] Темная энергия в принципе могла бы взаимодействовать не только с остальной частью темного сектора, но и с обычной материей. Однако одной только космологии недостаточно, чтобы эффективно ограничить силу связи между темной энергией и барионами, поэтому необходимо использовать другие косвенные методы или лабораторные исследования. [58] В начале 2020-х годов было высказано предположение, что избыток, наблюдаемый в детекторе XENON1T в Италии, мог быть вызван моделью темной энергии- хамелеона , но дальнейшие эксперименты опровергли эту возможность. [59] [60]
Плотность темной энергии могла меняться во времени на протяжении истории Вселенной. Современные наблюдательные данные позволяют оценить современную плотность темной энергии. Используя барионные акустические колебания , можно исследовать влияние темной энергии на историю Вселенной и ограничить параметры уравнения состояния темной энергии. С этой целью было предложено несколько моделей. Одной из наиболее популярных моделей является модель Шевалье–Поларски–Линдера (CPL). [61] [62] Некоторые другие распространенные модели: (Barboza & Alcaniz. 2008), [63] (Jassal et al. 2005), [64] (Wetterich. 2004), [65] и (Oztas et al. 2018). . [66] [67]
Некоторые альтернативы темной энергии, такие как неоднородная космология , направлены на объяснение данных наблюдений путем более точного использования устоявшихся теорий. В этом сценарии темная энергия на самом деле не существует и является всего лишь артефактом 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. [68] [69] [70] [71] Другой подход использует космологическое расширение принципа эквивалентности , чтобы показать, как пространство может расширяться быстрее в пустотах, окружающих наше локальное скопление. Хотя такие эффекты и слабы, но, если их кумулятивно рассматривать в течение миллиардов лет, они могут стать значительными, создавая иллюзию космического ускорения и создавая впечатление, будто мы живем в пузыре Хаббла . [72] [73] [74] Другие возможности заключаются в том, что ускоренное расширение Вселенной является иллюзией, вызванной нашим относительным движением к остальной части Вселенной, [75] [76] или что использованные статистические методы были ошибочный. [77] [78] Попытка прямого обнаружения в лаборатории не выявила какой-либо силы, связанной с темной энергией. [79]
Объяснения темной энергии, основанные на наблюдательном скептицизме, в целом не получили особой поддержки среди космологов. Например, статья, в которой предполагалось, что анизотропия локальной Вселенной была неверно истолкована как темная энергия [80], была быстро опровергнута другой статьей, в которой утверждались ошибки в оригинальной статье. [81] Другое исследование, ставящее под сомнение основное предположение о том, что светимость сверхновых типа Ia не меняется с возрастом звездного населения [82] [83], также было быстро опровергнуто другими космологами. [84]
Эта теория была сформулирована исследователями Гавайского университета в Маноа в феврале 2023 года. Идея состоит в том, что если требуется, чтобы метрика Керра (которая описывает вращающиеся черные дыры) асимптотически соответствовала метрике Фридмана-Робертсона-Уокера (которая описывает изотропную и однородную Вселенную) это основное предположение современной космологии), то можно обнаружить, что черные дыры набирают массу по мере расширения Вселенной. Скорость измеряется как ∝ a 3 , где a — масштабный коэффициент . Эта конкретная скорость означает, что плотность энергии черных дыр остается постоянной с течением времени, имитируя темную энергию (см. Dark_energy#Technical_definition). Теория называется «космологической связью», потому что черные дыры связаны с космологическими требованиями. [85] Другие астрофизики настроены скептически, [86] в ряде статей утверждается, что теория не может объяснить другие наблюдения. [87] [88]
Доказательства существования темной энергии во многом зависят от общей теории относительности. Поэтому вполне возможно, что модификация общей теории относительности также устранит необходимость в темной энергии. Таких теорий существует множество, и исследования продолжаются. [89] [90] Измерение скорости гравитации в первой гравитационной волне, измеренной негравитационными средствами ( GW170817 ), исключило многие модифицированные теории гравитации как объяснения темной энергии. [91] [92] [93]
Астрофизик Итан Сигел утверждает, что, хотя такие альтернативы широко освещаются в прессе, почти все профессиональные астрофизики уверены, что темная энергия существует и что ни одна из конкурирующих теорий успешно не объясняет наблюдения с тем же уровнем точности, что и стандартная темная энергия. [94]
Модель GRSI объясняет ускоряющееся расширение Вселенной подавлением гравитации на больших расстояниях. [95] Такое подавление является следствием увеличения энергии связи внутри галактики из-за самодействия поля Общей теории относительности. Усиленная связь требует, благодаря сохранению энергии , подавления гравитационного притяжения за пределами указанной галактики. Подавление происходит вместо темной энергии. Это аналогично центральной феноменологии сильной ядерной силы , где самовзаимодействие поля глюонов резко усиливает связывание кварков, что в конечном итоге приводит к их удержанию . Это, в свою очередь, подавляет сильные ядерные силы вне адронов .
По оценкам космологов, ускорение началось примерно 5 миллиардов лет назад. [96] [a] До этого считалось, что расширение замедлялось из-за притяжения материи. Плотность темной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем темная энергия, и в конечном итоге темная энергия начинает доминировать. В частности, когда объем Вселенной удваивается, плотность темной материи уменьшается вдвое, но плотность темной энергии практически не меняется (в случае космологической постоянной она в точности постоянна).
Прогнозы на будущее могут радикально различаться для разных моделей темной энергии. Для космологической постоянной или любой другой модели, которая предсказывает, что ускорение будет продолжаться бесконечно, конечным результатом будет то, что галактики за пределами Местной группы будут иметь лучевую скорость , которая постоянно увеличивается со временем, в конечном итоге намного превышая скорость свет. [97] Это не является нарушением специальной теории относительности , поскольку используемое здесь понятие «скорости» отличается от понятия скорости в локальной инерциальной системе отсчета , которая все еще ограничена тем, что она меньше скорости света для любого массивного объекта. ( обсуждение тонкостей определения любого понятия относительной скорости в космологии см. в разделе « Использование правильного расстояния »). Поскольку параметр Хаббла со временем уменьшается, на самом деле могут быть случаи, когда галактике, удаляющейся от нас быстрее света, удается излучать сигнал, который в конечном итоге достигает нас. [98] [99]
Однако из-за ускоряющегося расширения прогнозируется, что большинство галактик в конечном итоге пересечут своего рода космологический горизонт событий , где любой свет, который они испускают за пределами этой точки, никогда не сможет достичь нас в любое время в бесконечном будущем [100], потому что свет никогда не достигает точки, где его «особая скорость» по направлению к нам превышает скорость расширения от нас (эти два понятия скорости также обсуждаются в разделе «Использование правильного расстояния »). Если предположить, что темная энергия постоянна ( космологическая постоянная ), текущее расстояние до этого космологического горизонта событий составляет около 16 миллиардов световых лет, а это означает, что сигнал от события, происходящего в настоящее время, в конечном итоге сможет достичь нас в будущем, если событие находились на расстоянии менее 16 миллиардов световых лет от нас, но сигнал никогда бы не достиг нас, если бы событие находилось на расстоянии более 16 миллиардов световых лет. [99]
По мере того как галактики приближаются к точке пересечения этого космологического горизонта событий, свет от них будет становиться все более и более красным смещенным до такой степени, что длина волны станет слишком большой, чтобы ее можно было обнаружить на практике, и галактики, кажется, полностью исчезнут [101] [102] ( см. Будущее расширяющейся Вселенной ). Планета Земля, Млечный Путь и Местная группа галактик, частью которой является Млечный Путь, останутся практически нетронутыми, в то время как остальная часть Вселенной отступит и исчезнет из поля зрения. В этом сценарии Местная Группа в конечном итоге потерпит тепловую смерть , как и предполагалось для плоской Вселенной, в которой доминирует материя, до измерений космического ускорения . [ нужна цитата ]
Есть и другие, более умозрительные идеи о будущем Вселенной. Модель темной энергии фантомной энергии приводит к дивергентному расширению, что означает, что эффективная сила темной энергии продолжает расти, пока не станет доминировать над всеми другими силами во Вселенной. Согласно этому сценарию, темная энергия в конечном итоге разорвет все гравитационно связанные структуры, включая галактики и солнечные системы, и в конечном итоге преодолеет электрические и ядерные силы , чтобы разорвать сами атомы, положив конец Вселенной в « Большом разрыве ». С другой стороны, темная энергия может со временем рассеяться или даже стать привлекательной. Такая неопределенность оставляет открытой возможность того, что гравитация в конечном итоге возобладает, и приводит к тому, что Вселенная сжимается сама в себе в результате « Большого сжатия » [103] или к тому, что может даже существовать цикл темной энергии, что подразумевает циклическую модель Вселенной в каждая итерация ( Большой взрыв, а затем, в конечном итоге, Большое сжатие ) занимает около триллиона (10 12 ) лет. [104] [105] Хотя ни одно из этих утверждений не подтверждается наблюдениями, они не исключаются. [ нужна цитата ]
Астрофизик Дэвид Мерритт называет темную энергию примером «вспомогательной гипотезы», специального постулата, который добавляется к теории в ответ на наблюдения, которые ее фальсифицируют . Он утверждает, что гипотеза темной энергии является конвенционалистской гипотезой, то есть гипотезой, которая не добавляет никакого эмпирического содержания и, следовательно, является нефальсифицируемой в том смысле, который определил Карл Поппер . [106] Однако его мнение, похоже, не является консенсусом [ кем? ] и противоречит истории космологии. [ почему? ] [107]