Неоднородная космология — это физическая космологическая теория (астрономическая модель происхождения и эволюции физической вселенной ), которая, в отличие от широко принятой в настоящее время космологической модели согласования , предполагает, что неоднородности в распределении материи по вселенной влияют на локальные гравитационные силы (т. е. на галактическом уровне) в достаточной степени, чтобы исказить наш взгляд на Вселенную. [3] Когда Вселенная началась, материя была распределена однородно , но за миллиарды лет галактики , скопления галактик и сверхскопления объединились и должны, согласно общей теории относительности Эйнштейна , искривить пространство-время вокруг себя. Хотя модель согласования признает этот факт, она предполагает, что такие неоднородности недостаточны для того, чтобы повлиять на крупномасштабные средние значения гравитации в наших наблюдениях. Когда в 1998-1999 годах два отдельных исследования [4] [ 5] заявили, что сверхновые с большим красным смещением находятся дальше, чем должны были бы быть по нашим расчетам, было высказано предположение, что расширение Вселенной ускоряется , и для объяснения ускорения была предложена темная энергия , отталкивающая энергия, присущая пространству. С тех пор темная энергия стала широко принята, но она остается необъясненной. Соответственно, некоторые ученые продолжают работать над моделями, которые могут не требовать темной энергии. Неоднородная космология попадает в этот класс.
Неоднородные космологии предполагают, что обратные реакции более плотных структур, а также очень пустых пустот, на пространстве-времени достаточно значительны, чтобы, если их не учитывать, искажать наше понимание времени и наши наблюдения за удаленными объектами. После публикации Томасом Бухертом в 1997 и 2000 годах уравнений, выведенных из общей теории относительности, но также допускающих включение локальных гравитационных вариаций, был предложен ряд космологических моделей, в которых ускорение Вселенной на самом деле является неверной интерпретацией наших астрономических наблюдений и в которых темная энергия не нужна для их объяснения. [6] [7] Например, в 2007 году Дэвид Уилтшир предложил модель (космология временного ландшафта), в которой обратные реакции заставили время течь медленнее или, в пустотах , быстрее, тем самым создавая иллюзию сверхновых, наблюдавшихся в 1998 году, находящихся дальше, чем они были. [8] [9] Космология временного ландшафта также может подразумевать, что расширение Вселенной на самом деле замедляется. [3]
Конфликт между двумя космологиями вытекает из негибкости общей теории относительности Эйнштейна , которая показывает, как гравитация формируется взаимодействием материи, пространства и времени. [10] Физик Джон Уилер знаменито сформулировал суть теории следующим образом: «Материя говорит пространству, как искривляться; пространство говорит материи, как двигаться». [11] Однако для того, чтобы построить работоспособную космологическую модель, все члены по обе стороны уравнений Эйнштейна должны быть сбалансированы: с одной стороны, материя (т. е. все то, что искривляет время и пространство); с другой — кривизна Вселенной и скорость, с которой расширяется пространство-время. [10] Короче говоря, модель требует определенного количества материи для создания определенных кривизн и скоростей расширения.
С точки зрения материи, все современные космологии основаны на космологическом принципе , который гласит, что в какую бы сторону мы ни смотрели с Земли, Вселенная в основном одинакова: однородна и изотропна (однородна во всех измерениях). [10] Этот принцип вырос из утверждения Коперника о том, что во Вселенной нет особых наблюдателей и нет ничего особенного в расположении Земли во Вселенной (т. е. Земля не была центром Вселенной, как считалось ранее). С момента публикации общей теории относительности в 1915 году эта однородность и изотропия значительно упростили процесс разработки космологических моделей.
С точки зрения кривизны пространства-времени и формы Вселенной , она теоретически может быть замкнутой (положительная кривизна, или пространство-время, складывающееся само в себе, как будто на поверхности четырехмерной сферы ), открытой (отрицательная кривизна, при этом пространство-время сворачивается наружу) или плоской (нулевая кривизна, как поверхность «плоского» четырехмерного листа бумаги). [10]
Первая настоящая трудность возникла в отношении расширения, поскольку в 1915 году, как и ранее, Вселенная считалась статичной, не расширяющейся и не сжимающейся. Однако все решения Эйнштейна для его уравнений в общей теории относительности предсказывали динамическую Вселенную. Поэтому, чтобы сделать свои уравнения согласующимися с явно статической Вселенной, он добавил космологическую постоянную , термин, представляющий некоторую необъяснимую дополнительную энергию. Но когда в конце 1920-х годов наблюдения Жоржа Леметра и Эдвина Хаббла доказали идею Александра Фридмана (выведенную из общей теории относительности) о том, что Вселенная расширяется , космологическая постоянная стала ненужной, Эйнштейн назвал это «моей величайшей ошибкой». [10]
После того, как этот термин был удален из уравнения, другие вывели решение Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера (FLRW) для описания такой расширяющейся Вселенной — решение, построенное на предположении о плоской, изотропной, однородной Вселенной. Модель FLRW стала основой стандартной модели Вселенной, созданной Большим взрывом, и дальнейшие наблюдательные данные помогли ее уточнить. Например, гладкая, в основном однородная и (по крайней мере, когда ей было почти 400 000 лет) плоская Вселенная, казалось, подтверждалась данными космического микроволнового фона (CMB) . И после того, как в 1970-х годах было обнаружено, что галактики и скопления галактик вращаются быстрее, чем должны, не разлетаясь на части, существование темной материи также казалось доказанным, подтверждая свой вывод Якобусом Каптейном , Яном Оортом и Фрицем Цвикки в 1920-х и 1930-х годах и демонстрируя гибкость стандартной модели. Считается, что темная материя составляет примерно 23% плотности энергии Вселенной. [10]
Другое наблюдение в 1998 году, казалось, еще больше усложнило ситуацию: два отдельных исследования [4] [5] обнаружили, что далекие сверхновые были слабее, чем ожидалось, в постоянно расширяющейся Вселенной; то есть они не просто удалялись от Земли, но и ускорялись. Было подсчитано, что расширение Вселенной ускорялось примерно с 5 миллиардов лет назад. Учитывая эффект гравитационного торможения, который вся материя Вселенной должна была оказывать на это расширение, была повторно введена вариация космологической постоянной Эйнштейна, представляющая энергию, присущую пространству, уравновешивая уравнения для плоской, ускоряющейся Вселенной. Это также придало космологической постоянной Эйнштейна новое значение, поскольку, повторно введя ее в уравнение для представления темной энергии, можно воспроизвести плоскую Вселенную, расширяющуюся все быстрее. [10]
Хотя природа этой энергии еще не получила адекватного объяснения, она составляет почти 70% плотности энергии Вселенной в модели согласования. И таким образом, при включении темной материи, почти 95% плотности энергии Вселенной объясняется явлениями, которые были выведены, но не полностью объяснены и не наблюдались напрямую. Большинство космологов по-прежнему принимают модель согласования, хотя научный журналист Анил Анантасвами называет это соглашение «шаткой ортодоксальностью». [10]
В то время как Вселенная началась с однородно распределенной материи, с тех пор за миллиарды лет образовались огромные структуры: сотни миллиардов звезд внутри галактик, скопления галактик, сверхскопления и обширные нити материи. Эти более плотные области и пустоты между ними должны, согласно общей теории относительности, иметь некоторый эффект, поскольку материя диктует, как искривляется пространство-время. Таким образом, дополнительная масса галактик и скоплений галактик (и темная материя, если ее частицы когда-либо будут непосредственно обнаружены) должна вызывать более положительную кривизну близлежащего пространства-времени, а пустоты должны иметь противоположный эффект, заставляя пространство-время вокруг них приобретать отрицательную кривизну. Вопрос в том, являются ли эти эффекты, называемые обратными реакциями , незначительными или вместе составляют достаточно, чтобы изменить геометрию Вселенной. Большинство ученых предполагали, что они незначительны, но это отчасти было связано с тем, что не было способа усреднить геометрию пространства-времени в уравнениях Эйнштейна. [10]
В 2000 году космолог Томас Бушер из Высшей нормальной школы в Лионе (Франция) опубликовал набор новых уравнений, теперь называемых набором уравнений Бушерта, основанных на общей теории относительности , которые позволяют учитывать эффекты неравномерного распределения материи, но при этом усреднять поведение Вселенной. Таким образом, теперь можно разработать модели, основанные на неоднородном распределении материи. [3] «Насколько я понимаю, темной энергии не существует», — сказал Бушерт журналу New Scientist в 2016 году. «Через десять лет темной энергии не будет». В той же статье космолог Сюкси Рясянен сказал: «Не было установлено вне разумных сомнений, что темная энергия существует. Но я бы никогда не сказал, что было установлено, что темной энергии не существует». Он также сообщил журналу, что вопрос о том, можно ли пренебречь обратными реакциями в космологии, «не получил удовлетворительного ответа» [10] .
Неоднородная космология в самом общем смысле (предполагая полностью неоднородную вселенную) моделирует вселенную как целое с пространством-временем, которое не обладает никакими симметриями пространства-времени . Обычно рассматриваемые космологические пространства-времена имеют либо максимальную симметрию, которая включает три трансляционные симметрии и три вращательные симметрии (однородность и изотропия относительно каждой точки пространства-времени), либо только трансляционную симметрию (однородные модели), либо только вращательную симметрию (сферически симметричные модели). Модели с меньшим количеством симметрий (например, осесимметричные) также считаются симметричными. Однако сферически симметричные модели или негомогенные модели принято называть неоднородными. В неоднородной космологии крупномасштабная структура Вселенной моделируется точными решениями уравнений поля Эйнштейна (т.е. непертурбативно), в отличие от космологической теории возмущений , которая изучает Вселенную, принимая во внимание формирование структуры ( галактики , скопления галактик , космическую паутину ), но пертурбативным способом. [12]
Неоднородная космология обычно включает в себя изучение структуры Вселенной с помощью точных решений уравнений поля Эйнштейна (т.е. метрик ) [12] или с помощью методов пространственного или пространственно-временного усреднения. [13] Такие модели не являются однородными , [14] но могут допускать эффекты, которые могут быть интерпретированы как темная энергия , или могут привести к космологическим структурам, таким как пустоты или скопления галактик. [12] [13]
Теория возмущений , которая имеет дело с малыми возмущениями, например, однородной метрики, справедлива только до тех пор, пока возмущения не слишком велики, а моделирование N-тел использует ньютоновскую гравитацию, которая является хорошим приближением только при низких скоростях и слабых гравитационных полях.
Работа над непертурбативным подходом включает в себя релятивистское приближение Зельдовича. [15] По состоянию на 2016 год [update]Томас Бухерт, Джордж Эллис , Эдвард Колб и их коллеги [16] пришли к выводу, что если Вселенная описывается космическими переменными в схеме обратной реакции , которая включает грубую грануляризацию и усреднение, то является ли темная энергия артефактом традиционного способа использования уравнения Эйнштейна, остается вопросом без ответа. [17]
Первыми историческими примерами неоднородных (хотя и сферически симметричных) решений являются метрика Леметра–Толмена (или модель LTB — Леметра–Толмена-Бонди [18] [19] [20] ). Метрика Стефани может быть сферически симметричной или полностью неоднородной. [21] [22] [23] Другими примерами являются метрика Секереша, метрика Шафрона, метрика Барнса, метрика Кустаанхеймо-Квиста и метрика Сеновиллы. [12] Метрики Бьянки, как указано в классификации Бьянки , и метрики Кантовского-Сакса являются однородными.
Наиболее известным [ по мнению кого? ] подходом к усреднению является скалярный подход к усреднению [ необходимо дальнейшее объяснение ] , приводящий к кинематическому обратному реагированию и среднему функционалу кривизны 3-Риччи. Уравнения Бухерта являются основными уравнениями [ необходимо дальнейшее объяснение ] таких методов усреднения. [13]
В 2007 году Дэвид Уилтшир, профессор теоретической физики в Университете Кентербери в Новой Зеландии, утверждал в New Journal of Physics , что квазилокальные вариации гравитационной энергии в 1998 году дали ложный вывод о том, что расширение Вселенной ускоряется. [8] Более того, из-за принципа эквивалентности , который утверждает, что гравитационная и инерционная энергия эквивалентны, и, таким образом, предотвращает дифференциацию аспектов гравитационной энергии на локальном уровне, ученые ошибочно идентифицировали эти аспекты как темную энергию . [8] Эта ошибочная идентификация была результатом предположения о существенно однородной Вселенной, как это делает стандартная космологическая модель, и не учитывала временные различия между областями с плотной материей и пустотами. Уилтшир и другие утверждали, что если Вселенная не только предполагается не однородной, но и не плоской, можно разработать модели, в которых кажущееся ускорение расширения Вселенной можно было бы объяснить иначе. [3]
Еще одним важным шагом, который был исключен из стандартной модели, утверждал Уилтшир, был тот факт, что, как доказано наблюдением, гравитация замедляет время. Таким образом, с точки зрения одного и того же наблюдателя, часы будут двигаться быстрее в пустом пространстве, которое обладает низкой гравитацией, чем внутри галактики, которая имеет гораздо большую гравитацию, и он утверждал, что существует разница в 38% между временем на часах в Млечном Пути и временем в галактике, плавающей в пустоте. Таким образом, если мы не можем исправить это — временные ландшафты, каждый с разным временем — наши наблюдения за расширением пространства будут и являются неверными. Уилтшир утверждает, что наблюдения сверхновых 1998 года, которые привели к выводу о расширяющейся Вселенной и темной энергии, вместо этого могут быть объяснены уравнениями Бухерта, если принять во внимание некоторые странные аспекты общей теории относительности. [3]