МОСКВА, 26 янв - РИА Новости. Независимая группа ученых подтвердила, что Вселенная действительно расширяется сейчас еще быстрее, чем показывали расчеты, построенные на наблюдениях за "эхом" Большого Взрыва, говорится в серии из пяти статей, принятой к публикации в журнале Monthly Notices of Royal Astronomical Society.
"Расхождения в текущей скорости расширения Вселенной и тем, что показывают наблюдения за Большим взрывом, не только подтвердились, но и усилились благодаря новым данным по тому, как далекие галактики искривляют свет. Эти несовпадения могут быть порождены "новой физикой" за пределами Стандартной модели космологии, в частности, некой иной формой темной энергии", — заявил Фредерик Кубрин (Frederic Coubrin) из Федеральной политехнической школы в Лозанне (Швейцария).
Темные роды Вселенной
Еще в 1929 году знаменитый астроном Эдвин Хаббл доказал, что наша Вселенная не стоит на месте, а постепенно расширяется, наблюдая за движением далеких от нас галактик. В конце 20 века астрофизики обнаружили, наблюдая за сверхновыми первого типа, что она расширяется не с постоянной скоростью, а с ускорением. Причиной этого, как сегодня считают ученые, является темная энергия - загадочная субстанция, действующая на материю как своеобразная "антигравитация".
В июне прошлого года, нобелевский лауреат Адам Рисс (Adam Reiss) и его коллеги, открывшие этот феномен, вычислили точную скорость расширения Вселенной сегодня, используя переменные звезды-цефеиды в соседних галактиках, расстояние до которых можно вычислить со сверхвысокой точностью.
Это уточнение дало крайне неожиданный результат - оказалось, что две галактики, разделенные расстоянием примерно в 3 миллиона световых лет, разлетаются со скоростью около 73 километров в секунду. Подобная цифра заметно выше, чем показывают данные, полученные при помощи орбитальных телескопов WMAP и Planck - 69 километров в секунду, и ее невозможно объяснить при помощи имеющихся у нас представлений о природе темной энергии и механизме рождения Вселенной.
Рисс и его коллеги предположили, что существует еще и третья "темная" субстанция - "темное излучение" (dark radiation), заставлявшее ее ускоряться быстрее теоретических предсказаний в первые дни жизни Вселенной. Подобное заявление не осталось без внимания, и коллаборация H0LiCOW, включающая в себя десятки астрономов со всех континентов планеты, начала проверку эту гипотезы, наблюдая за квазарами - активными ядрами далеких галактик.
Игра космических свечей и линз
Квазары, благодаря гигантской черной дыре в их центре, особым образом искривляют структуру пространства-времени, усиливая свет, проходящий через его окрестности, подобно гигантской линзе.
Если два квазара расположены друг за другом для наблюдателей на Земле, возникает интересная вещь - свет более далекого квазара расщепится при прохождении через гравитационную линзу первого ядра галактики. Из-за этого мы увидим не два, а пять квазаров, четыре из которых будут световыми "копиями" более далекого объекта. Что самое важное, каждая копия будет представлять собой "фотографию" квазара в разные периоды его жизни из-за того, что их свет тратил разное количество времени на выход из гравитационной линзы.
Продолжительность этого времени, как объясняют ученые, зависит от скорости расширения Вселенной, что позволяет вычислить ее, наблюдая за большим числом далеких квазаров. Этим и занимались участники H0LiCOW, отыскивая подобные "двойные" квазары и наблюдая за их "копиями".
В общей сложности Кубрин и его коллеги нашли три подобных квазарных "матрешки" и детально изучили их, используя орбитальные телескопы "Хаббл", "Спитцер" и ряд наземных телескопов на Гавайских островах и в Чили. Эти замеры, по словам исследователей, позволили им измерить постоянную Хаббла на "среднем" космологическом расстоянии с уровнем погрешности в 3,8%, что в разы лучше ранее полученных результатов.
Эти расчеты показали, что Вселенная расширяется со скоростью около 71,9 километров в секунду, что в целом соответствует тому результату, который Рисс и его коллеги получили на "близких" космологических расстояниях, и говорит в пользу существования некой третьей "темной" субстанции, разгонявшей Вселенную в ее юности. Другой вариант объяснения разночтений с данными - Вселенная на самом деле не является плоской, а напоминает сферу или "гармошку". Кроме того, возможно, что количество или свойства темной материи поменялись за последние 13 миллиардов лет, благодаря чему Вселенная начала расти быстрее.
В любом случае, ученые планируют изучить еще примерно сто подобных квазаров для того, чтобы убедиться в достоверности полученных ими данных, и понять, как можно объяснить столь необычное поведение Вселенной, не укладывающееся в стандартные космологические теории.
Анализируя результаты наблюдений галактик и реликтового излучения, астрономы пришли к выводу, что распределение вещества во Вселенной (область исследуемого пространства превышала 100 Мпс в поперечнике) является однородным и изотропным, т. е. не зависит от положения и направления в пространстве (см. Космология). А такие свойства пространства, согласно теории относительности, неизбежно влекут за тсобой изменение со временем расстояний между телами, заполняющими Вселенную, т. е. Вселенная должна расширяться или сжиматься, причем наблюдения указывают на расширение.
Расширение Вселенной существенно отличается от обычного расширения вещества, например от расширения газа в цилиндре. Газ, расширяясь, изменяет положение поршня в цилиндре, но цилиндр при этом остается неизменным. Во Вселенной же происходит расширение всего пространства как целого. Поэтому вопрос, в какую сторону происходит расширение, во Вселенной теряет смысл. Такое расширение имеет место в очень больших масштабах. В пределах же звездных систем, галактик, скоплений и сверхскоплений галактик расширения не происходит. Такие гравитационно связанные системы обособлены от общего расширения Вселенной.
Вывод о том, что Вселенная расширяется, подтверждают наблюдения красного смещения в спектрах галактик.
Пусть из некоторой точки пространства в два момента отправляются световые сигналы, которые наблюдаются в другой точке пространства.
Вследствие изменения масштаба Вселенной, т. е. увеличения расстояния между точками испускания и наблюдения света, второй сигнал должен пройти большее расстояние, чем первый. А поскольку скорость света постоянна, второй сигнал запаздывает; интервал между сигналами в точке наблюдений будет больше, чем в точке их отправления. Запаздывание тем значительнее, чем больше расстояние между источником и наблюдателем. Естественным эталоном частоты является частота излучения при электромагнитных переходах в атомах. Вследствие описанного эффекта расширения Вселенной происходит уменьшение этой частоты. Таким образом, при наблюдении спектра излучения какой-нибудь далекой галактики все его линии должны оказаться смещенными в красную сторону по сравнению с лабораторными спектрами. Это явление красного смещения представляет собой эффект Доплера (см. Лучевая скорость) от взаимного «разбегания» галактик и наблюдается в действительности.
Величина красного смещения измеряется отношением измененной частоты излучения к первоначальной. Изменение частоты тем больше, чем больше расстояние до наблюдаемой галактики.
Таким образом, измеряя по спектрам красное смещение, оказывается возможным определить скорости v галактик, с которыми они удаляются от наблюдателя. Указанные скорости связаны с расстояниями называется постоянной Хаббла.
Точное определение величины сопряжено с большими трудностями. На основе многолетних наблюдений в настоящее время принята величина .
Это значение соответствует увеличению скорости разбегания галактик, равному приблизительно 50-100 км/с на каждый мегапарсек расстояния.
Закон Хаббла позволяет оценивать расстояния до галактик, удаленных на огромные расстояния, по измеренному в их спектрах красному смещению линий.
Закон разбегания галактик выведен на основе наблюдений с Земли (или, можно сказать, из нашей Галактики), и, таким образом, он описывает удаление галактик от Земли (нашей Галактики). Однако из этого нельзя делать вывод, что именно Земля (наша Галактика) находится в центре расширения Вселенной. Несложные геометрические построения убеждают нас, что закон Хаббла справедлив для наблюдателя, находящегося в любой из галактик, участвующих в разбегании.
Закон расширения Хаббла указывает на то, что когда-то вещество во Вселенной находилось в условиях очень больших плотностей. Время, отделяющее нас от этого состояния, можно условно назвать возрастом Вселенной. Оно определяется величиной
Поскольку скорость света конечна, конечному возрасту Вселенной соответствует и конечная область Вселенной, которую мы можем наблюдать в настоящее время. При этом наиболее удаленные наблюдаемые части Вселенной соответствуют наиболее ранним моментам ее эволюции. В эти моменты во Вселенной могли рождаться и взаимодействовать многообразные элементарные частицы. Анализируя процессы, происходившие при участии таких частиц в первую секунду расширения Вселенной, теоретическая космологий находит на основе теории элементарных частиц ответы на вопросы, почему во Вселенной нет антивещества и даже почему расширяется Вселенная.
Многие предсказания теории о физических процессах элементарных частиц относятся к области энергии, недостижимой в современных земных лабораторных условиях, например на ускорителях.
Однако в период до первой секунды расширения Вселенной частицы с такой энергией должны были существовать. Поэтому физики рассматривают расширяющуюся Вселенную как естественную лабораторию элементарных частиц.
В этой лаборатории можно осуществлять «мысленные эксперименты», анализировать, как существование той или иной частицы повлияло бы на физические процессы во Вселенной, как то или иное предсказание теории проявилось бы в астрономических наблюдениях.
Теорию элементарных частиц привлекают к объяснению «скрытой массы» Вселенной. Чтобы объяснить, как образовались галактики, как они движутся в скоплениях галактик и многие другие особенности распределения видимого вещества, оказывается необходимым предположить, что более 80% массы Вселенной скрыто в форме невидимых слабовзаимо-действующих частиц. В этой связи в космологии широко обсуждаются нейтрино с ненулевой массой покоя, а также новые гипотетические частицы.
Исследования американских астрономов подтверждают информацию из книг Анастасии Новых. Скорость расширения Вселенной оказалась гораздо выше, чем показывали предыдущие расчёты. Учёные приходят к выводу, что данный факт может указывать на наличие некоего тёмного излучения или на неполноту теории относительности. принята к публикации в Astrophysical Journal.
Американский астрофизик, нобелевский лауреат Адам Рисс (Adam Riess) отмечает, что данное открытие может помочь понять, чем является тёмная материя, а также тёмная энергия и тёмное излучение. Это считается довольно важным, поскольку по оценкам современных учёных, различные комбинации тёмной материи составляют более 95% от общей массы Вселенной .
Ранее для измерения скорости расширения Вселенной изучались далёкие сверхновые и использовались данные зондов WMAP и Planck, с помощью которых изучают микроволновое "эхо" Большого Взрыва. В новом исследовании астрофизики решили изменить тактику работы и начали наблюдать за относительно близкими, переменными звёздами соседних галактик. Эти звёзды называют цефеидами. Они представляют интерес для исследователей, поскольку их пульсацию можно использовать для точного вычисления расстояний до далёких космических объектов. Группа Адама Рисса при помощи телескопа "Хаббл" наблюдала за такими звёздами в 18 соседних галактиках, где недавно произошли взрывы сверхновых первого типа. В результате исследований удалось вычислить расстояние до данных объектов, что помогло уточнить значение постоянной Хаббла и уменьшить погрешность при её вычислении с 3% до 2,4%. В результате оказалось, что две галактики, находящиеся друг от друга на расстоянии 3 миллионов световых лет, разлетаются со скоростью 73 километра в секунду. Таким образом, был получен неожиданный результат: скорость оказалась заметно выше, чем при подсчётах, полученных с помощью WMAP и Planck. Это значение скорости не могут объяснить существующие научные взгляды о механизме зарождения Вселенной и природе тёмной энергии.
Фотографии NASA/ ESA/ A.Riess
Адам Рисс предполагает, что такая высокая скорость расширения Вселенной может говорить о том, что в процессе "разгона", помимо тёмной энергии, участвует ещё одна невидимая субстанция . Учёный назвал её "тёмным излучением" (dark radiation). По мнению исследователей, это "излучение" по своим свойствам похоже на так называемые стерильные нейтрино, и оно существовало в первые дни жизни Вселенной, когда в ней преобладала энергия, а не материя. Учёные надеются, что дальнейшие исследования при помощи телескопа "Хаббл" и повышение точности наблюдений помогут понять, действительно ли нужно "тёмное излучение" для объяснения неожиданных результатов в исследованиях скорости расширения Вселенной.
То, что Вселенная не стоит на месте, а постепенно расширяется, в 1929 доказал астроном Эдвин Хаббл. Он совершил это открытие, наблюдая за движением далёких галактик. В конце 1990-х годов, исследуя сверхновые первого типа, астрофизикам удалось выяснить, что Вселенная расширяется не с постоянной скоростью, а с ускорением. Тогда был сделан вывод, что причиной этому является тёмная энергия.
Интересно, что результаты современных исследований в области астрономии зачастую подтверждают информацию из древних преданий многих народов планеты. Эти памятники культуры хранят в себе поразительную информацию о рождении Вселенной посредством Первичного Звука (который до сих пор наблюдается в виде фона определённых излучений), а также знания о мироустройстве. Достаточно вспомнить широко известные космогонические мифы догонов и бамбара. Частично понять информацию, которую сохранил этот народ, удалось совсем недавно, благодаря открытиям в астрономии. Но в мифах догонов сохранилась и такая информация , что уровень развития современной физики ещё не в состоянии дать ей научное объяснение.
Возвращаясь к вопросу расширения Вселенной, стоит отметить, что результаты нового исследования подтверждают то, что было обнародовано много лет назад в книгах Анастасии Новых , причём, совершённое открытие является лишь малой частью знаний, заложенных в в этих книгах. Так, например, в книгах "Сэнсэй-4" и "АллатРа" отмечается, что движение Вселенной происходит по спирали. Вообще, спиралевидный ход движения является перспективным направлением для изучения, он проявляется во всех процессах материального мира. Но самое интересное, что в книгах писательницы описан не только процесс зарождения Вселенной, но и предоставлена информация о том, что происходит и произойдёт в результате её расширения. Также в книгах даны ценные знания о силе, которая лежит в основе материи и всех её взаимодействий, проведен анализ современных научных взглядов в области изучения астрономических явлений, анализ древних преданий со всего мира и многое другое, что может стать толчком для эпохальных открытий в современной науке.
Например, в книге "АллатРа" описана довольно интересная информация об общей массе Вселенной:
Ригден: ...Количество материи (её объём, плотность и так далее), да и сам факт её присутствия во Вселенной не влияют на общую массу Вселенной. Люди привыкли воспринимать материю с присущей ей массой только с позиции трёхмерного пространства. Но чтобы глубже понять смысл данного вопроса, необходимо знать о многомерности Вселенной. Объём, плотность и другие характеристики видимой, то есть привычной для людей материи во всём её разнообразии (включая и так называемые ныне «элементарные» частицы) изменяются уже в пятом измерении. Но масса остаётся неизменной, так как является частью общей информации о «жизни» этой материи до шестого измерения включительно. Масса материи — это всего лишь информация о взаимодействии одной материи с другой в определённых условиях. Как я уже говорил, упорядоченная информация создаёт материю, задаёт ей свойства, в том числе и массу. С учётом многомерности материальной Вселенной, её масса всегда равна нулю. Суммарная масса материи во Вселенной будет огромна лишь для Наблюдателей третьего, четвёртого и пятого измерений...
Анастасия: Масса Вселенной равна нулю? Это же указывает на иллюзорность мира, как такового, о чём говорилось во многих древних легендах народов мира...
Ригден: Наука будущего, если выберет указанный в твоих книгах путь, сможет вплотную подойти к ответам на вопросы о происхождении Вселенной и её искусственного создания.
Читать продолжение в книге "АллатРа", стр. 42
Согласно существующим в науке взглядам, "если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света".
Имеется и другой взгляд на процесс расширения Вселенной, который можно проследить и мифах народов мира, где говорилось и о сокращении дней, и о Первичном Звуке. В книге "Сэнсэй-4" можно прочитать следующее:
— ...В ближайшем будущем человечество столкнётся ещё с одним феноменом Вселенной. За счёт возрастающего ускорения Вселенной, в связи с истощением силы Аллата , человечество будет ощущать стремительное сокращение времени. Феномен будет заключаться в том, что условные двадцать четыре часа в сутки как были, так и останутся, но время будет пролетать гораздо быстрее. И люди будут чувствовать это стремительное сокращение временных промежутков как на физическом уровне, так и на уровне интуитивного восприятия.
— Так это будет связано именно с расширением Вселенной? — уточнил Николай Андреевич.
— Да. С возрастающим ускорением. Чем больше расширяется Вселенная, тем быстрее бежит время и так до полной аннигиляции материи.
Благодаря учёным, которые заинтересовались знаниями из книг А.Новых и начали вникать в их суть, недавно вышел доклад "ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА" . Как написано в докладе, основная закладка знаний для научных исследований была сделана автором в работах "АллатРа" и "Эзоосмос". В докладе учёных информация из книг автора дополняется новыми данными. В частности, появляются такие понятия как эзоосмическая решётка, септонное поле, септон, которые являются основополагающими для понимания происходящих в мире процессов как на микро-, так и на макроуровне.
"В основе материальной Вселенной находится своеобразный "пространственный каркас", нематериальная структура - ЭЗООСМИЧЕСКАЯ РЕШЁТКА.В представлении жителя 3-х мерного измерения эта энергетическая "конструкция" в целом напоминала бы по внешнему очертанию сильно уплощенный объект, приблизительно похожий на плоский кирпич, высота боковой грани которого составляет 1/72 от величины её основания. Другими словами, эзоосмическая решётка обладает плоской геометрией. Возможность расширения материальной Вселенной ограничена размерами эзоосмической решётки.
В пределах эзоосмической решётки существует 72 измерения (примечание: подробнее о 72 измерениях см. в книге "АллатРа"). Всё, что современной наукой именуется "материальной Вселенной", существует лишь в пределах первых 6 измерений, а остальные 66 измерений - это, по своей сути, контролирующие надстройки, сдерживающие "материальный мир" в определённых ограничительных рамках - шести измерениях. Согласно древним знаниям, 66 измерений (с 7 по 72 включительно) тоже относятся к материальному миру, но не являются таковыми по своей сути.
За пределами эзоосмической решётки, что также утверждается в древних священных преданиях разных народов мира, находится духовный мир - качественно иной мир, не имеющий ничего общего с материальным миром, его законами и проблемами."
Скопление галактик Abel85, расположенное на расстоянии примерно 740 млн световых лет от Земли, зарегистрировано рентгеновской обсерваторией Чандра. Пурпурное свечение - это газ, разогретый до нескольких миллионов градусов.
Иллюстрация к модели роста космических структур Вселенной. Изображены три возраста Вселенной: 0,9 млрд, 3,2 млрд и 13,7 млрд лет (нынешнее состояние).
Международная группа учёных под руководством Алексея Вихлинина из Института космических исследований РАН экспериментально подтвердила ускоренное расширение Вселенной новым независимым методом и восстановила картину её развития во времени. Сейчас в ИКИ РАН ведут работы по созданию новой орбитальной рентгеновской обсерватории, одной из задач которой будет определение уравнения состояния тёмной энергии с беспрецедентной точностью.
Алексей Вихлинин, выступая с докладом на конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», прошедшей в ИКИ РАН, рассказал, что в прошлом веке по наблюдениям далёких сверхновых звёзд было показано, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Для объяснения этого ускорения ввели понятие «тёмной энергии» («невидимой энергии»). Её свойства оказались весьма необычными — так, например, тёмная энергия должна обладать отрицательным давлением, чтобы «расталкивать» Вселенную. Установление природы этой загадочной тёмной энергии — одна из главных задач физики, поскольку, согласно современным представлениям, именно тёмная энергия определяет развитие нашего мира.
В основе работы международной группы учёных из Европы и США лежало исследование распределения массивных скоплений галактик в пространстве — основных элементов крупномасштабной структуры Вселенной. (Крупномасштабную структуру можно представить как скопления галактик, соединённые филаментами
— скоплениями газа, между которыми находятся пустоты.) Тёмная энергия должна оказывать существенное влияние на рост крупномасштабной структуры, поскольку она противодействует силе гравитационного притяжения материи и препятствует образованию сгущений вещества на больших масштабах расстояний. В наибольшей степени это влияние отражается на скорости образования массивных скоплений галактик. Такие скопления содержат тысячи галактик, подобных нашей, и могут иметь массы порядка 10 14 масс Солнца.
Экспериментально обнаружено и подробно исследовано 86 наиболее массивных скоплений галактик во Вселенной, находящихся на расстоянии от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов световых лет от Млечного Пути. Большая часть скоплений открыта на основании данных рентгеновского телескопа РОСАТ (Германия, НАСА). Измерения расстояний выполнены при помощи десятка оптических телескопов по всему миру: Keck, Magellan, NTT и др. Большое количество наблюдений проведено также при помощи российско-турецкого 1,5-метрового телескопа РТТ-150. Главный вклад в успех работы сделан орбитальной рентгеновской обсерваторией Чандра (США) — по её данным точно измерены массы скоплений.
На основе полученных результатов астрофизики восстановили картину развития Вселенной начиная примерно с 2/3 её возраста до настоящего времени, то есть в течение последних 5,5 миллиарда лет (что примерно соответствует возрасту Солнца). Результаты этого исследования показали, что рост крупномасштабной структуры в течение этого времени существенно замедлился.
Сила, с которой тёмная энергия «расталкивает» вещество, описывается параметром уравнения состояния тёмной энергии, имеющим физический смысл, сходный с жёсткостью пружины. Исследователи провели наиболее точное на сегодняшний день измерение этого параметра. Полученные результаты подразумевают, что уравнения общей теории относительности (только с добавлением космологической постоянной) хорошо работают на всех наблюдаемых расстояниях — от радиусов орбит планет в нашей Солнечной системе до размеров всей наблюдаемой части Вселенной.
ИКИ РАН в сотрудничестве с институтами Общества им. Макса Планка (Германия) и другими научными организациями сейчас ведёт работы по созданию орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-рентген-гамма» (СРГ), запуск которой планируется в 2012 году. Обсерватория предназначена для полного обзора неба, в ходе которого, как ожидается, будет открыто порядка 100 тысяч скоплений галактик (то есть все массивные скопления галактик во Вселенной), примерно 3 млн ядер активных галактик (сверхмассивных чёрных дыр) и около 2 млн коронально-активных звёзд. На основе наблюдений массивных скоплений галактик предполагается более точно оценить скорость роста крупномасштабной структуры Вселенной, что, в свою очередь, позволит определить беспрецедентно точно уравнение состояния тёмной энергии.
Астрофизики считают, что изучение природы тёмной энергии позволит создать новую теорию вакуума, которая, возможно, будет распространена на другие физические явления. Не исключено, что в рамках новой теории окажется, что наше пространство имеет не четыре, а пять измерений.
Некоторая ирония природы состоит в том, что наиболее изобильная форма энергии во Вселенной есть и наиболее загадочная. После ошеломляющего открытия ускоренного расширения Вселенной довольно быстро возникла согласованная картина, указывающая на то, что 2/3 космоса «сделаны» из «темной энергии» - некоторого сорта гравитационно отталкивающего материала. Но достаточно ли убедительны доказательства, подтверждающие новые экзотические законы природы? Может имеются более простые астрофизические объяснения этих результатов?
Прообраз этой заметки был недавно опубликован в научно-популярном разделе Хабра, правда под замком так что возможно не всем заинтересованным она досталась. В этом варианте сделаны довольно существенные дополнения, как что всем должно быть интересною.
История темной энергии началась в 1998 году, когда два независимых коллектива исследовали удаленные сверхновые с целью обнаружить скорость замедления расширения Вселенной. Одна из них, Supernova Cosmology Project , приступила к работе в 1988-м, и руководил ею Сол Перлмуттер. Другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом High-z Supernova Search Team , подключилась к исследованиям в 1994-м. Результат поверг их в шок: Вселенная достаточно давно находится в режиме ускоренного расширения.
Как детективы, космологи всего мира собирали досье на обвиняемого, ответственного за ускорение. Его особые приметы: гравитационно отталкивающий, препятствует образованию галактик (кластеризации материи в галактики), проявляется в растяжении пространства-времени. Кличка обвиняемого – «темная энергия». Многие теоретики предполагали, что обвиняемый – космологическая константа. Она безусловно соответствовала сценарию ускоренного расширения. Но хватало ли улик, чтобы полностью идентифицировать темную энергию с космологической постоянной?
Существование гравитационно-отталкивающей темной энергии должно было иметь драматические следствия для фундаментальной физики. Наиболее консервативное предположение состояло в том, что Вселенная заполнена однородным морем квантовой энергии нулевых колебаний или конденсатом новых частиц, масса которых в ${{10}^{39}}$ раз меньше электрона. Некоторые исследователи также предполагали необходимость изменения общей теории относительности, в частности, новые дальнодействующие силы, ослабляющие действие гравитации. Но даже в самых консервативных предложениях имелись серьезные недостатки. Например, плотность энергии нулевых колебаний оказалась на 120 неправдоподобных порядка меньше теоретических предсказаний. С точки зрения этих экстремальных предположений казалось более естественным искать решение в рамках традиционных астрофизических понятий: межгалактическая пыль (рассеяние фотонов на ней и связанное с этим ослабление потока фотонов) или разница между новыми и старыми сверхновыми звездами. Эта возможность поддерживалась многими космологами, бодрствующими в ночи.
Наблюдения сверхновых и их анализ проведенный С. Перлмуттером, Б. Шмидтом и А. Риссом, дали понять, что убывание их яркости с расстоянием происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Совсем недавно это открытие было отмечено . Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е. скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в плотность вещества во Вселенной различных составляющих.
До недавнего времени сверхновые звезды были единственным прямым доказательством ускоренного расширения и единственной убедительной опорой темной энергии. Точные измерения космического микроволнового фона, включающие WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) данные обеспечили независимое подтверждение реальности темной энергии. То же самое подтвердили и данные еще двух мощных проектов: крупномасштабное распределение галактик во Вселенной и Sloan Digital Sky Survey (SDSS).
Комбинация данных WMAP, SDSS и других источников, нашли, что гравитационное отталкивание, генерируемое темной энергией, замедляет коллапс сверхплотных областей материи во Вселенной. Реальность темной энергии сразу стала существенно более приемлемой.
Космическое расширение
Космическое расширение было открыто Эдвином Хабблом в конце 1920-х и, может, является самой важной особенностью нашей Вселенной. Не только астрономические тела двигаются под влиянием гравитационного взаимодействия своих соседей, но и крупномасштабные структуры еще в большей степени растягиваются космическим расширением. Популярная аналогия – движение изюминок в очень большом пироге, находящемся в печи. Когда пирог подходит, расстояние между любой парой изюминок, погруженных в пирог, растет. Если мы вообразим, что одна конкретная изюминка представляет нашу галактику, то мы обнаружим, что все другие изюминки (галактики) удаляются от нас по всем направлениям. Наша Вселенная расширялась из горячего плотного космического супа, созданного в процессе Большого Взрыва, в куда более холодное и более разряженное собрание галактик и кластеров галактик, которой мы наблюдаем сегодня.
Свет, испущенный звездами и газом в отдаленных галактиках, растягивается подобным же образом, удлиняя свою длину волны во время своего путешествия к Земле. Этот сдвиг в длине волны задается красным смещением $z=\left(\lambda_{obs}-\lambda_0\right)/\lambda_0$, где $\lambda_{obs}$ - длина света на Земле и $\lambda_{0}$-длина волны испущенного света. Например, лайман альфа переход в атоме водорода характеризуется длиной волны $\lambda_0=121.6$ нанометров (при возвращении в основное состояние). Этот переход можно обнаружить в излучении отдаленных галактик. В частности, он был использован для обнаружения рекордно большого красного смещения: ошеломляющее z=10 с линией лайман альфа при $\lambda_{obs}=1337.6$ нанометров. Но красное смещение описывает только изменение в масштабах космоса при испускании и поглощении света и не дает прямой информации о расстоянии до излучателя или возрасте Вселенной, когда свет был испущен. Если мы знаем как расстояние до объекта, так и красное смещение, мы можем попытаться получить важную информацию о динамике расширения Вселенной.
Наблюдения сверхновых звезд обнаружили некоторую гравитационно-отталкивающую субстанцию, которая управляет ускорением Вселенной. Астрономы не первый раз столкнулись с проблемой недостающей материи. Светящиеся массы галактик оказались существенно меньше гравитирующих масс. Эта разница была восполнена темной материей – холодной нерелятивистской материи, в основном, вероятно, состоящей из частиц, слабо взаимодействующих с атомами и светом.
Однако наблюдения указывали, что полное количество материи во Вселенной, включая и темную материю, составляет всего 1/3 от полной энергии. Это было подтверждено исследованием миллионов галактик в рамках 2DF и SDSS проектов. Но общая теория относительности предсказывает, что имеется точная связь между расширением и энергетическим содержанием Вселенной. Мы, следовательно, знаем, что общая плотность энергии всех фотонов, атомов и темной материи должна быть дополнена до некоторого критического значения, определяемого постоянной Хаббла $H_{0}$: ${{\rho}_{crit}}=3H_{0}^{2}/8\pi\cdot{G}$. Загвоздка в том, чего нет, но это совсем другая история.
Масса, энергия и кривизна пространства-времени непосредственно связаны в ОТО. Одно из объяснений, следовательно, может состоять в том, что щель между критической плотностью и наблюдаемой плотностью материи заполнена некоторой плотностью энергии, связанной с деформацией пространства на больших масштабах и наблюдаемой только на масштабах порядка $c/{{H}_{0}}\sim 4000\ Mpc$. К счастью, кривизна Вселенной может быть определена с помощью прецизионных измерений МКФ. Реликт, с происхождением 400.000 после Большого Взрыва, МКФ есть излучение абсолютно черного тела, источником которого является первичная плазма. Когда Вселенная остыла ниже $3000\ K$ плазма стала прозрачной для фотонов и они получили возможность свободно распространяться в пространстве. Сегодня почти 15 млрд лет спустя мы наблюдаем тепловой резервуар фотонов при температуре $2.726\ K$, что представляет результат красного смещения за счет космического расширения.
Замечательный образ МКФ был получен с помощью WMAP спутника, показывающий малейшие изменения фотонной температуры «неба». Эти вариации, известные как анизотропия МКФ отражают малые вариации плотности и движения ранней Вселенной. Эти вариации, которые возникают на уровне ${{10}^{-5}}$ являются зародышами крупномасштабной структуры (галактики, кластеры), которые мы наблюдаем сегодня.
Наиболее холодные/горячие пятна в космическим микроволновом фоне обязаны фотонам, которые выбрались из участков гравитационного потенциала наибольшей/наименьшей плотности. Размеры этих областей хорошо определены физикой плазмы. Когда мы рассматриваем полную Вселенную, видимый угловой размер этих анизотропий должен быть около ${{0.5}^{0}}$, если Вселенная имеет достаточную кривизну чтобы заполнить энергетическую щель и в два раза большие угловые размеры в отсутствие всякого искривления пространства. Наиболее простой способ представить в воображении этот геометрический эффект заключается в следующем: представим себе треугольник с фиксированным основанием и боковыми сторонами (просто сторонами?), нарисованный на поверхностях разной кривизны. Для cедловой поверхности/сферы внутренние углы будут меньше/больше, чем у того же треугольника, нарисованного на плоской поверхности (с эвклидовой геометрией).
С 1999 года был проведен целый ряд экспериментов (TOCO, MAXIMA, BOOMERANG, WMAP), которые показали, что пятна МКФ имеют размеры порядка${{1}^{0}}$. Это означает, что геометрия Вселенной плоская. С точки зрения проблемы недостающей энергии это означает, что нечто другое, чем кривизна должно быть ответственно за заполнение щели. Для некоторых космологов этот результат выглядел как déjà vu. Инфляция, лучшая теория происхождения первичных флуктуаций МКФ, предполагает, что очень раняя Вселенная испытывала период ускоренного расширения, который управлялся частицей, называемой инфлатоном. Инфлатон должен был растягивать любую крупномасштабную кривизну, делая геометрию Вселенной плоской или эвклидовой. Доказательство предполагает существование формы энергии, которая препятствует кластеризации галактик, которая гравитационно отталкивательная и которая, возможно, обязана частице, отличной от инфлатона.
Космическая гармония
Данные по реликтовому излучению и сверхновым звездам данные согласованно подтвердили, что источником космического ускорения является темная энергия. Но это было только начало. Комбинируя прецизионные измерения МКФ, полеченные WMAP, с радио, оптическим и рентгеновским зондирование крупномасштабных распределений материи астрофизики получили дальнейшие доказательства убыстрения скорости расширения Вселенной. Оказалось, что гравитационные потенциальные ямы плотности и уплотнения во Вселенной были растянуты и сглажены со временем, как будто под влиянием отталкивательной гравитации. Этот эффект известен как интегральный эффект (Sachs-Wolfe (ISW)). Он приводит к корреляции между температурной анизотропией в реликтового излучения и крупномасштабной структуре Вселенной. Хотя первичная плазма стала прозрачной для фотонов, когда Вселенная остыла, фотоны не путешествуют беспрепятственно. Космос изрешечен неоднородностями, которые сильны на малых расстояниях (где материя кластеризуется в звезды, галактики и туманности) и постепенно ослабевает на больших масштабах длины… Во время своего полета фотоны падают в гравитационные ямы и выбираются из них.
После того как космическое излучение было впервые детектировано (около 40 лет назад) Сакс и Вольф показали, что изменяющийся во времени потенциал должен приводить к энергетическому сдвигу МКФ проходящих через него фотонов. Фотон приобретает энергию, когда падает в гравитационную яму и тратит ее, когда выбирается из нее. Если потенциал стал глубже в ходе этого процесса, то, следовательно, фотон в целом потеряет энергию. Если потенциал станет мельче, фотон приобретет энергию.
Во Вселенной, где полная критическая плотность образуется только атомами и темной материей, слабые гравитационные потенциалы на очень больших пространственных масштабах (которые соответствуют плавным (gentle) волнам плотности материи) эволюционируют слишком медленно, чтобы оставить заметные следы на МКФ фотонах. Более плотные области просто захватывают окружающее вещество с той самой скоростью, с которой космическое расширение удлиняет волы, оставляя потенциал неизменным. Однако при более быстром расширении Вселенной, обязанному темной энергии, аккреция материи не может конкурировать с растяжением. Эффективно получается, что гравитационный коллапс замедляется отталкивающей темной материей. Следовательно, гравитационный потенциал имеет тенденцию к выполаживанию и фотоны приобретают энергию при прохождении этих областей. Подобным же образом фотоны теряют энергию, проходя через области пониженной плотности. (Не тривиально!)
Отрицательное давление
Величайшая загадка космического ускорения состоит не в том, что оно предполагает, что 2/3 субстанции, заполняющей Вселенную, мы не видим, а в том, что оно навязывает существование вещества с гравитационным отталкиванием. Чтобы рассмотреть это странное свойство темной энергии полезно ввести величину $w={{p}_{dark}}/{{\rho }_{dark}}$. Это выражение напоминает уравнение состояния газа. В ОТО скорость изменения космического расширения пропорциональна $-\left({{\rho }_{total}}+3{{p}_{total}} \right)$. Для ускоренного расширения эта величина должна быть положительной. Так как ${{\rho }_{total}}$ положительна, а среднее давление обычной и темной материи пренебрежимо мало (потому что она холодная и нерелятивистская), мы приходим к требованию $3w\times {{\rho }_{dark}}+{{\rho }_{total}}
Почему давление влияет на расширение Вселенной? Эйнштейн показал, что материя и энергия искривляют пространство-время. Поэтому для горячего газа кинетическая энергия его атомов дает вклад в их гравитационные силы, как это было измерено с помощью измерения ускорения удаленных тел. Однако силы, которые требуются для того, чтобы удержать или изолировать газ работают против этого избыточного давления. Вселенная с другой стороны не является ни изолированной, ни ограниченной. Расширение космоса, заполненного горячим газом, эффективно будет происходить медленнее (за счет самогравитации), чем расширение Вселенной, заполненной холодным газом. По этой же логике, среда с таким отрицательным давлением, что ${{\rho }_{total}}+3p
Отрицательное давление не такое редкое явление. Давление воды в некоторых высоких деревьях становится отрицательным по мере того как питание поднимается по их сосудистой системе. В однородном электрическом или магнитном поле также можно найти конфигурации обладающие отрицательным давлением. В этих случаях давление есть нечто похожее на растянутую пружину под напряжением, вызванном внутренними силами. На микроскопическом уровне резервуар хиггсовских бозонов (гипотетических частиц, генерирующих массу частиц в Стандартной Модели) создает отрицательное давление, когда его тепловые или кинетические возбуждения малы. Действительно, инфлатон можно рассматриватькак тяжелую версию хиггсовского бозона. Одна из предложенных версий темной энергии – квинтэссенция – может быть даже более легкой версией хиггсов.
В принципе, не существует нижней границы давления во Вселенной. Хотя странные вещи происходят, если $w$ опускается до значения меньше, чем $-1.$ Изолированные куски такого материала могут иметь отрицательную массу. …..Но одна вещь очевидна. Такое сильное отрицательное давление не имеет места для нормальных частиц и полей в ОТО. Многочисленные наблюдения приводят к более узкому диапазону параметров темной энергии, чем те, которые следуют из приведенных выше общих рассуждений.
Комбинация предсказаний различных теоретических моделей и лучших наблюдений реликтового излучения, крупномасштабных структур и сверхновых звезд приводят к $$\Omega_{dark}= 0.728^{+0.015}_{-0.016}$$ $$w= -0.980\pm0.053 $$
Краткая история темной энергии
Темная энергия, или нечто подобное ей, много раз возникала в истории космологии. Ящик Пандоры открыл Эйнштейн, который ввел в свои уравнения гравитационного поля. Космическое расширение тогда еще не было открыто и уравнения правильно «подсказывали», что Вселенная, содержащая материю, не может быть статичной без математического дополнения – космологической постоянной, которую принято обозначать $\Lambda$. Эффект эквивалентен заполнению Вселенной морем отрицательной энергии, в котором дрейфуют звезды и туманности. Открытие расширения устранило необходимость этого ad hoc дополнения теории.
В последующие десятилетия отчаянные теоретики периодически вводили $\Lambda$ в попытке объяснить новые астрономические явления. Эти возвраты были всегда кратковременными и обычно заканчивались более правдоподобными объяснениями полученных данных. Однако с 60-х годов начала пробиваться идея того, что вакуумная (нулевая) энергия всех частиц и полей должна неизбежно генерировать слагаемое, подобное $\Lambda$. Кроме того, есть основания полагать, что космологическая постоянная могла естественно возникнуть на ранних этапах эволюции Вселенной.
В 1980 была развита теория инфляции. В этой теории ранняя Вселенная испытала период ускоренного экспоненциального расширения. Расширение было обязано отрицательному давлению, обязанному новой частице – . Инфлатон оказался очень успешным. Он разрешил много . К этим парадоксам относятся проблемы горизонта и плоскостности Вселенной. Предсказания теории хорошо согласовывались различными космологическими наблюдениями.
Темная энергия и будущее Вселенной
С открытием темной энергии сильно изменились представления о том, каким может быть отдаленное будущее нашей Вселенной. До этого открытия вопрос о будущем однозначно связывался с вопросом о кривизне трехмерного пространства. Если бы, как многие раньше считали, кривизна пространства на 2/3 определяла современный темп расширения Вселенной, а темная энергия отсутствовала, то Вселенная расширялась бы неограниченно, постепенно замедляясь. Теперь же понятно, что будущее определяется свойствами темной энергии.
Поскольку мы эти свойства знаем сейчас плохо, предсказать будущее мы пока не можем. Можно только рассмотреть разные варианты. Про то, что происходит в теориях с новой гравитацией, сказать трудно, но другие сценарии есть возможность обсудить уже сейчас. Если темная энергия постоянна во времени, как в случае энергии вакуума, то Вселенная будет всегда испытывать ускоренное расширение. Большинство галактик в конце концов удалится от нашей на громадное расстояние, и наша Галактика вместе с немногими соседями окажется островком в пустоте. Если темная энергия - квинтэссенция, то в далеком будущем ускоренное расширение может прекратиться и даже смениться сжатием. В последнем случае Вселенная вернется в состояние с горячей и плотной материей, произойдет "Большой взрыв наоборот", назад во времени.
Энергетический бюджет нашей Вселенной. Стоит обратить внимание на то, что на долю привычного вещества (планеты, звезды, весь окружающий нас мир) приходится всего 4 процента, всё остальное составляют «темные» формы энергии.
Еще более драматическая судьба ожидает Вселенную, если темная энергия - фантом, причем такой, что его плотность энергии возрастает неограниченно. Расширение Вселенной будет все более и более быстрым, оно настолько ускорится, что галактики будут вырваны из скоплений, звезды из галактик, планеты из Солнечной системы. Дело дойдет до того, что электроны оторвутся от атомов, а атомные ядра разделятся на протоны и нейтроны. Произойдет, как говорят, большой разрыв.
Такой сценарий, однако, представляется не очень вероятным. Скорее всего, плотность энергии фантома будет оставаться ограниченной. Но и тогда Вселенную может ожидать необычное будущее. Дело в том, что во многих теориях фантомное поведение - рост плотности энергии со временем - сопровождается неустойчивостями . В таком случае фантомное поле во Вселенной будет становиться сильно неоднородным, плотность его энергии в разных частях Вселенной будет разной, какие-то части будут быстро расширяться, а какие-то, возможно, испытают коллапс. Судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область она попадет.
Все это, впрочем, относится к будущему, отдаленному даже по космологическим меркам. В ближайшие 20 миллиардов лет Вселенная будет оставаться почти такой же, как сейчас. У нас есть время для того, чтобы разобраться в свойствах темной энергии и тем самым более определенно предсказать будущее - а может быть, и повлиять на него.
