Тёмная энергия. Что такое темная энергия

Что такое тёмная энергия

Содержание страницы:

Поскольку Вселенная расширяется не с замедлением, что вполне логично, а наоборот, ускоряясь, нужно было это объяснить. Для решения проблемы была придумана тёмная энергия, которая уравновешивает положения математической модели Вселенной.

Сущность этого вида энергии заключается в неизменности энергетической плотности, заполняющей пространство. То есть, тёмная энергия является космологической константой, характеризующей некоторые свойства вакуума. Она больше похожа на антигравитацию, увеличивая темп расширения Вселенной. Тёмная энергия сама себя расталкивает, ускоряя разбегание стандартной галактической материи. Но она же имеет отрицательное давление, дающее веществу силу, не позволяющую веществу «растягиваться». Наблюдения за сверхновыми звёздами типа Ia показывают, что Вселенная расширяется с ускорением. Другие наблюдения, в частности, за реликтовым излучением, подкрепили эти выводы.

<center><ins class="adsbygoogle" style="display:inline-block;width:580px;height:400px" data-ad-client="ca-pub-1812626643144578" data-ad-slot="8813674614"></ins> <script> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); </script></center>

Наблюдения сверхновых

В конце второго тысячелетия обнаружился любопытный факт свойств сверхновых звёзд в удалённых галактиках. А именно, они имели яркость, которая была ниже положенной им по статусу. Расстояние до галактик, получалось больше, чем вычисленное по параметрам Хаббла. Стало ясно, что расширение Вселенной идёт с ускорением. Это шло вразрез теории о замедлении расширения. Она основывалась на том, что главная часть массы Вселенной – материя, видимая и тёмная. Но только наличие невидимых энергий позволяло объяснить нестандартное ускорение.

Энергия и масса

Предположение о том, что тёмная энергия существует, решила много проблем. В частности, было объяснено присутствие невидимой массы. Все теории формирования структур Вселенной основаны на критической плотности, необходимой для того, чтобы её форма была плоской. А общей плотности барионной и тёмной материй всего 30%. Все произведённые исследования показывают, что форма Вселенной подобна плоскости. Из этого выходит, что оставшиеся 70% всей плотности даёт тёмная энергия.

Что из себя представляет тёмная энергия

Природа тёмной энергии пока не ясна. Очевидно лишь то, что при малой плотности её распределение очень равномерно. Она не проявляет какого-либо взаимодействия с обычной материей, исключая гравитационное. При гипотетической плотности 10-29г/см3, обнаружение тёмной энергии практически невозможно. Глобальное влияние её на вселенское пространство реально только из-за однородного его заполнения.

Космологическая постоянная

У каждого пространственного объёма должна быть фундаментальная, присущая именно ему, энергия. Она носит название энергии вакуума, так как она – энергетическая плотность чистого вакуума. Это космологическая постоянная, введение которой позволило построить нынешнюю модель космологии. Пока она неплохо соответствует существующим космологическим наблюдениям, объясняя наличие тёмной энергии.

comments powered by HyperComments

light-science.ru

Тёмная энергия | Наука | FANDOM powered by Wikia

Файл:Cosmological composition.jpg

Тёмная эне́ргия — в космологии гипотетическая форма энергии, имеющая отрицательное давление и равномерно заполняющая всё пространство Вселенной. Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы, но и от давления, причём отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию. Согласно последним данным, обнаружившим ускоренное расширение Вселенной, такая сила действительно действует в космологических масштабах. Темная энергия также должна составлять значительную часть т.н. скрытой массы Вселенной.

Существует два варианта объяснения сущности темной энергии:

темная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство;
темная энергия есть некая квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

Введение космологической константы в стандартную космологическую модель (т.н. метрика Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера, FLRW), привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель (Lambda-Cold Dark Matter model). Эта модель хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.

Открытие тёмной энергииПравить

На основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений сверхновых звёзд типа Ia был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва, постоянной Хаббла. Все полученные данные хорошо вписываются в лямбда-CDM модель.

Сверхновые звёзды и ускоряющаяся ВселеннаяПравить

Расстояния до других галактик определяются измерением их красного смещения. По закону Хаббла, величина красного смещения света удаленных галактик прямо пропорциональна относительной скорости этих галактик. Соотношение между расстоянием и величиной красного смещения называется параметром Хаббла (или, не совсем точно, постоянной Хаббла).

Однако, само значение параметра Хаббла требуется сначала каким-то способом установить, а для этого нужно измерить значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже вычислены другими методами. Для этого в астрономии применяются «стандартные свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом «стандартной свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звезды типа Ia. Они обладают очень высокой яркостью и вспыхивают только тогда, когда масса старой звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с высокой точностью. Следовательно, все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь одинаковую наблюдаемую яркость. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.

В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла.

Предположим, что есть удалённый объект, расстояние которого от нас, определённое по методу «стандартных свеч», равно DC. Свет, дошедший до нас от объекта, прошёл расстояние DC=D1 + D2, где D1 — первая часть пути, D2 — вторая часть пути. Красное смещение на первой части пути составило R1=h2D1 (где Н1 — значение параметра Хаббла на этом промежутке пути), на второй части пути R2=h3D2 (где h3 — нынешнее значение параметра Хаббла). Если предположить, что h2=h3 (т.е. параметр Хаббла постоянен), то расстояние, определенное по закону Хаббла, DH=R1/h3 + R2/h3, должно быть равно DС. Однако, как уже сказано, для удаленных галактик (и их сверхновых типа Ia) оказалось, что DH < DC. Отсюда следует, что h2 < h3.

Был сделан вывод: параметр Хаббла для относительно близких галактик выше, чем для далеких галактик. То есть параметр Хаббла не оставался постоянным на протяжении значительных промежутков времени (сотни миллионов и миллиарды лет), — он увеличивался, и, следует полагать, продолжает увеличиваться. Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (темная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением (см. уравнения состояния). Её назвали тёмной энергией.

Тёмная энергия и скрытая массаПравить

Гипотеза о существовании темной энергии (чем бы она ни являлась), решает и так называемую «проблему невидимой массы». Теория нуклеосинтеза Большого Взрыва объясняет формирование в молодой Вселенной лёгких химических элементов, таких как гелий, дейтерий и литий. Теория крупномасштабной структуры Вселенной объясняет формирование структуры Вселенной: образование звёзд, квазаров, галактик и галактических скоплений. Обе эти теории предполагают, что плотность барионной материи и тёмной материи составляет около 30% от критической плотности, требуемой для образования «закрытой» Вселенной, то есть плотности, необходимой, чтобы форма Вселенной была плоской. Измерения реликтового излучения Вселенной, недавно проведенные спутником WMAP, показывают, что форма Вселенной действительно очень близка к плоской. Следовательно, некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие 70% плотности Вселенной.

Природа тёмной энергииПравить

Сущность тёмной энергии является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность, и не взаимодействует сколько-нибудь заметно посредством известных фундаментальных типов взаимодействия — за исключением гравитации. Поскольку гипотетическая плотность тёмной энергии не слишком велика — порядка 10−29 граммов на кубический сантиметр — её вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом (хотя уже были заявления о таком обнаружении). Тёмная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70% процентов всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство. Существуют две главные модели, объясняющие природу тёмной энергии: «космологическая константа» и «квинтэссенция».

Космологическая постояннаяПравить

Самое простое объяснение заключается в том, что тёмная энергия — это просто «стоимость существования пространства»: то есть, любой объём пространства имеет некую фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию. Это и есть космологическая константа, иногда называемая (по имени греческой буквы Λ, используемой для её обозначения в уравнениях ОТО) «лямбда-член» (отсюда и «лямбда-CDM модель»). Поскольку энергия и масса связаны соотношением E = mc2, Эйнштейновская общая теория относительности предсказывает, что тёмная энергия должна оказывать гравитационное действие. Её ещё иногда называют энергией вакуума, поскольку она является энергетической плотностью чистого вакуума. Многие физические теории элементарных частиц предсказывают существование вакуумных флуктуаций, то есть наделяют вакуум именно таким видом энергии. Значение космологической константы оценивается в порядке 10−29г/см3, или около 10−123 в Планковских единицах.

Космологическая константа имеет отрицательное давление, равное её энергетической плотности, и поэтому вызывает ускорение расширения Вселенной. Причины, по которым космологическая константа имеет отрицательное давление, вытекают из классической термодинамики. Работа, выполняемая изменением объема dV, равняется −p dV, где p — давление. Однако, количество энергии, заключённое в "коробке с вакуумом", увеличивается с увеличением объёма "коробки" (dV положительно), так как энергия равняется ρV, где ρ — энергетическая плотность космологической константы. Следовательно, p отрицательно и, фактически, p = −ρ.

Важнейшая нерешённая проблема современной физики состоит в том, что большинство квантовых теорий поля, основываясь на энергии квантового вакуума, предсказывают громадное значение космологической константы — примерно на 123 порядка превосходящее допустимое по космологическим представлениям. Это значение, следовательно, должно быть скомпенсировано неким действием, почти равным (но не точно равным) по модулю, но имеющим противоположный знак. Некоторые теории суперсимметрии (SATHISH) требуют, чтобы космологическая константа в точности равнялась нулю, что также не способствует разрешению проблемы. Такова сущность «проблемы космологической константы», труднейшей проблемы «тонкой настройки» в современной физике: не найдено ни одного способа вывести из физики элементарных частиц чрезвычайно малое значение космологической константы, определённое в космологии. Некоторые физики, включая Стивена Вейнберга, считают т.н. «антропный принцип» наилучшим объяснением наблюдаемого тонкого баланса энергии квантового вакуума.

Несмотря на эти проблемы, космологическая константа — это во многих отношениях самое экономное решение проблемы ускоряющейся Вселенной. Единственное числовое значение объясняет множество наблюдений. Поэтому нынешняя общепринятая космологическая модель (лямбда-CDM модель) включает в себя космологическую константу как существенный элемент.

КвинтэссенцияПравить

Альтернативный подход исходит из предположения, что тёмная энергия — это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого квинтэссенцией. Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материи (звезды и т.п.), она должна быть очень легкой, то есть иметь большую комптоновскую длину волны.

Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя. Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное ускорение Вселенной, в сравнении с гипотезой космологической константы. Некоторые ученые полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились бы нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и вариации фундаментальных констант в пространстве или времени. Существование скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн, но при этом возникает проблема, аналогичная варианту с космологической константой: теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля должны приобретать значительную массу.

Проблема космического совпадения ставит вопрос, почему ускорение Вселенной началось именно в определенный момент времени. Если бы ускорение во Вселенной началось раньше этого момента, звезды и галактики просто не успели бы сформироваться, и у жизни не было бы никаких шансов на возникновение, по крайней мере, в известной нам форме. Сторонники «антропного принципа» считают этот факт наилучшим аргументом в пользу своих построений. Впрочем, многие модели квинтэссенции предусматривают так называемое «следящее поведение», которое решает эту проблему. В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая подстраивается к плотности излучения (не достигая её) до того момента развития Большого Взрыва, когда складывается равновесие вещества и излучения. После этого момента квинтэссенция начинает вести себя как искомая «тёмная энергия» и в конце концов господствует во Вселенной. Такое развитие естественным образом устанавливает низкий энергетический уровень тёмной энергии.

Были предложены и другие возможные виды квинтэссенции: фантомная энергия, для которой энергетическая плотность квинтэссенции возрастает со временем; и так называемая «кинетическая квинтэссенция», имеющая форму нестандартной кинетической энергии. Они имеют необычные свойства: например, фантомная энергия может привести к Большому Разрыву Вселенной.

Последствия для судьбы ВселеннойПравить

По имеющимся оценкам, ускорение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Плотность тёмной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность темной энергии. В конце концов, темная энергия начинает преобладать. Например, когда объем Вселенной удваивается, плотность темной материи уменьшается вдвое, а плотность темной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной — в варианте с космологической константой).

Если ускорение 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. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривленном пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривленного пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление продолжат существовать, в то время, как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придет в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием материи.

Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведёт к т.н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия темной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдет все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, темная энергия со временем разорвет все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдет силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвет атомы и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

С другой стороны, темная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведет Вселенную к Большому Хлопку. Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя все эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого Взрыва), должны сыграть точные измерения темпа ускорения.

Историческая справкаПравить

Ожидается

Страница 0 - краткая статья
Страница 1 - энциклопедическая статья
Разное - на страницах: 2 , 3 , 4 , 5
Прошу вносить вашу информацию в «Тёмная энергия 1», чтобы сохранить ее

ru.science.wikia.com

Тёмная энергия - это... Что такое Тёмная энергия?

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 12 мая 2011.

Тёмная эне́ргия (англ. dark energy) в космологии — феномен, объясняющий факт, что Вселенная расширяется с ускорением.[1]

Существует два варианта объяснения сущности тёмной энергии:

К настоящему времени (2012 год) все известные надёжные наблюдательные данные не противоречат первой гипотезе, так что она принимается в космологии как стандартная.

Тёмная энергия также должна составлять значительную часть так называемой скрытой массы Вселенной.[3]

Открытие тёмной энергии

На основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений сверхновых звёзд типа Ia был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва. Все полученные данные хорошо вписываются в лямбда-CDM модель.

Сверхновые звёзды и ускоряющаяся Вселенная

Расстояния до других галактик определяются измерением их красного смещения. По закону Хаббла, величина красного смещения света удалённых галактик прямо пропорциональна расстоянию до этих галактик. Соотношение между расстоянием и величиной красного смещения называется параметром Хаббла (или, не совсем точно, постоянной Хаббла).

Однако само значение параметра Хаббла требуется сначала каким-нибудь способом установить, а для этого нужно измерить значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже вычислены другими методами. Для этого в астрономии применяются «стандартные свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом «стандартной свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звёзды типа Ia. Они обладают очень высокой яркостью и вспыхивают только тогда, когда масса старой звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с высокой точностью. Следовательно, все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую яркость; при этом желательно делать поправки на вращение и состав исходной звезды. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением (см. уравнения состояния). Её назвали «тёмной энергией».

Тёмная энергия и скрытая масса

Гипотеза о существовании тёмной энергии (чем бы она ни являлась) решает и так называемую «проблему невидимой массы». Теория нуклеосинтеза Большого Взрыва объясняет формирование в молодой Вселенной лёгких химических элементов, таких как гелий, дейтерий и литий. Теория крупномасштабной структуры Вселенной объясняет формирование структуры Вселенной: образование звёзд, квазаров, галактик и галактических скоплений. Обе эти теории предполагают, что плотность барионной материи и тёмной материи составляет около 30 % от критической плотности, требуемой для образования «закрытой» Вселенной, то есть плотности, необходимой, чтобы форма Вселенной была плоской. Измерения реликтового излучения Вселенной, недавно проведённые спутником WMAP, показывают, что форма Вселенной действительно очень близка к плоской. Следовательно, некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие 70 % плотности Вселенной.

Природа тёмной энергии

Сущность тёмной энергии является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность, и не взаимодействует сколько-нибудь заметно с обычной материей посредством известных фундаментальных типов взаимодействия — за исключением гравитации. Поскольку гипотетическая плотность тёмной энергии невелика (порядка 10−29 г/см³), её вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом. Тёмная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70 % всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство.

Космологическая постоянная

Самое простое объяснение заключается в том, что тёмная энергия — это просто «стоимость существования пространства»: то есть, любой объём пространства имеет некую фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию. Её ещё иногда называют энергией вакуума, поскольку она является энергетической плотностью чистого вакуума. Это и есть космологическая постоянная, иногда называемая «лямбда-член» (по имени греческой буквы Λ, используемой для её обозначения в уравнениях общей теории относительности). Введение космологической константы в стандартную космологическую модель, основанную на метрике Фридмана — Лемэтра — Робертсона — Уокера, привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель. Эта модель хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.

Многие физические теории элементарных частиц предсказывают существование вакуумных флуктуаций, то есть наделяют вакуум именно таким видом энергии. Значение космологической константы оценивается в порядке 10−29 г/см³, или около 1.03 кэВ/см³ (около 10−123 в Планковских единицах).

Космологическая константа имеет отрицательное давление, равное её энергетической плотности. Причины, по которым космологическая константа имеет отрицательное давление, вытекают из классической термодинамики. Количество энергии, заключённое в «коробке с вакуумом» объёма V, равняется ρV, где ρ — энергетическая плотность космологической константы. Увеличение объёма «коробки» (dV положительно) приводит к возрастанию её внутренней энергии, а это означает выполнение ею отрицательной работы. Так как работа, выполняемая изменением объёма dV, равняется pdV, где p — давление, то p отрицательно и, фактически, p = −ρ (коэффициент с², связывающий массу и энергию, приравнен 1).[2]

Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы (плотности), но и от давления, причем давление имеет бо́льший коэффициент, чем плотность. Отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение расширения Вселенной.[4]

Важнейшая нерешённая проблема современной физики состоит в том, что большинство квантовых теорий поля, основываясь на энергии квантового вакуума, предсказывают громадное значение космологической константы — на многие порядки превосходящее допустимое по космологическим представлениям. Обычная формула квантовой теории поля для суммирования вакуумных нулевых колебаний поля (с обрезанием по волновому числу колебательных мод, соответствующему планковской длине), даёт огромную плотность энергии вакуума.[5][6] Это значение, следовательно, должно быть скомпенсировано неким действием, почти равным (но не точно равным) по модулю, но имеющим противоположный знак. Некоторые теории суперсимметрии (SATHISH) требуют, чтобы космологическая константа в точности равнялась нулю, что также не способствует разрешению проблемы. Такова сущность «проблемы космологической константы», труднейшей проблемы «тонкой настройки» в современной физике: не найдено ни одного способа вывести из физики элементарных частиц чрезвычайно малое значение космологической константы, определённое в космологии. Некоторые физики, включая Стивена Вайнберга, считают т. н. «антропный принцип» наилучшим объяснением наблюдаемого тонкого баланса энергии квантового вакуума.

Квинтэссенция

Альтернативный подход был предложен в 1987 году немецким физиком-теоретиком Кристофом Веттерихом[7][8]. Веттерих исходил из предположения, что тёмная энергия — это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого квинтэссенцией[9]. Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материи (звёзды и т. п.), она должна быть очень лёгкой, то есть иметь большую комптоновскую длину волны.

Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя. Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное ускорение Вселенной, в сравнении с гипотезой космологической константы. Некоторые учёные полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились бы нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и вариации фундаментальных констант в пространстве или времени. Существование скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн, но при этом возникает проблема, аналогичная варианту с космологической константой: теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля должны приобретать значительную массу.

Проблема космического совпадения ставит вопрос, почему ускорение Вселенной началось именно в определенный момент времени. Если бы ускорение во Вселенной началось раньше этого момента, звёзды и галактики просто не успели бы сформироваться, и у жизни не было бы никаких шансов на возникновение, по крайней мере, в известной нам форме. Сторонники «антропного принципа» считают этот факт наилучшим аргументом в пользу своих построений. Впрочем, многие модели квинтэссенции предусматривают так называемое «следящее поведение», которое решает эту проблему. В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая подстраивается к плотности излучения (не достигая её) до того момента развития Большого Взрыва, когда складывается равновесие вещества и излучения. После этого момента квинтэссенция начинает вести себя как искомая «тёмная энергия» и в конце концов господствует во Вселенной. Такое развитие естественным образом устанавливает низкое значение уровня тёмной энергии.

Уравнение состояния (зависимость давления от плотности энергии) для квинтэссенции: где (для вакуума ).

Были предложены и другие возможные виды тёмной энергии: фантомная энергия, для которой энергетическая плотность возрастает со временем (в уравнении состояния этого типа тёмной энергии ), и так называемая «кинетическая квинтэссенция», имеющая форму нестандартной кинетической энергии. Они имеют необычные свойства: например, фантомная энергия может привести к Большому Разрыву Вселенной.

Последствия для судьбы Вселенной

По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём Вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной — в варианте с космологической константой).

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. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривлённого пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и в принципе достижимы путём космических полётов, в то время как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием материи.

Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведёт к т. н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к «Большому Сжатию». Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого Взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.

Ускоренное расширение Вселенной было открыто в 1998 году при наблюдениях за сверхновыми типа Ia[10][11]. За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шао по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год.

См. также

Примечания

↑ Астронет > Темная энергия вблизи нас
↑ 1 2 Астронет > Темная энергия вблизи нас
↑ Астронет > Темная энергия вблизи нас
↑ Астронет > Темная энергия вблизи нас
↑ С. Вайнберг «Проблема космологической постоянной», Успехи физических наук, август 1989 г., т. 158, вып. 4, стр. 640—678
↑ Я. Б. Зельдович «Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии», Успехи физических наук, март 1981 г., т. 133, вып. 3, стр. 480—503
↑ Cosmology and the Fate of Dilatation Symmetry, C. Wetterich, Nucl. Phys. B 302, 668 (1988)
↑ The Cosmon Model for an Asymptotically Vanishing Time Dependent Cosmological "Constant", C. Wetterich, Astron. Astrophys. 301, 321 (1995), arXiv:hep-th/9408025v1
↑ Caldwell R. R., Steinhardt P. J. Phys.Rev. D 57, 6057 (1998).
↑ Riess, A. et al. 1998, Astronomical Journal, 116, 1009
↑ Perlmutter, S. et al. 1999, Astrophysical Journal, 517, 565

Ссылки

Тёмная энергия вблизи нас — популярная брошюра, А. Д. Чернина, ГАИШ МГУ.
A.Д. Чернин: Физический вакуум и космическая анти-гравитация
Документальный фильм — Темная материя, темная энергия (2008)
A.Д. Чернин. Темная энергия и всемирное антитяготение. // УФН, 178, 267 (2008).
В. Н. Лукаш, В. А. Рубаков. Темная энергия: мифы и реальность. // УФН, 178, 301 (2008). (Комментарий к статье А. Д. Чернина)
В. А. Рубаков. Темная энергия во Вселенной
Сайт о современном состоянии космологии
Sean M. Carroll, The Cosmological Constant
Robert R. Caldwell, Marc Kamionkowski, Nevin N. Weinberg, Phantom Energy and Cosmic Doomsday (astro-ph:0302506)
Lucy Calder, Ofer Lahav, Dark Energy: back to Newton? (astro-ph:0712.2196)
Марк Тродден, Джонатан Фэн. Темные миры
New method 'confirms dark energy'
Dark Energy is Real

dic.academic.ru

Простое объяснение темной энергии

24 Янв 2017

Десятилетиями ученые ломают головы над тем фактом, что наша Вселенная расширяется. С логической точки зрения гравитация должна притягивать галактики друг к другу, однако наблюдения 1990-х годов показали, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускоряющей тенденцией, и виной тому является так называемая темная энергия.

Темная энергия (не путать с темной материей) – это гипотетическая сила, на которую приходится до 68,3 процента всей энергии в наблюдаемой Вселенной. И ученые считают, что эта энергия отталкивает галактики друг от друга. Тем не менее, несмотря на множество непрямых доказательств ее существования, никто так до сих пор и не смог напрямую определить наличие темной энергии или хотя бы адекватно объяснить, откуда она взялась.

Однако согласно новой гипотезе, ответ на этот вопрос лежал у нас в буквальном смысле перед носом. Согласно этой гипотезе, темная энергия – это абсолютно обыденная вещь, если рассматривать ее с точки зрения одного из фундаментальных законов Вселенной, о котором мы часто забываем, когда рассматриваем этот вопрос. Этим фундаментальным законом является закон сохранения энергии. О нем рассказывают еще в средней школе. Если простыми словами, гласит он следующее: энергию нельзя просто так создать или разрушить, она не может просто так исчезнуть. Единственное, что она может – это перетечь из одного состояния в другое или перейти от одного тела к другому. На этом законе держится большая часть нашей фундаментальной физики.

Результаты нового исследования, проведенного группой физиков из разных институтов, говорят о том, что если в рамках самых ранних дней появления Вселенной имела место даже едва заметная утрата энергии, то это могло бы объяснить природу темной энергии, о которой сегодня говорят многие ученые. Авторы исследования добавляют, что, вполне возможно, эта утечка хоть и нарушала фундаментальный закон, но нарушала его настолько незначительно, что в итоге этого никто бы и не заметил.

Гипотеза весьма дерзкая, следует заметить. Но здесь же интересно понять, что именно привело исследователей к такой гипотезе. Для того чтобы разобраться в вопросе темной энергии и постараться объяснить ее, необходимо вернуться в 1917 год, год, когда Эйнштейн пытался понять, почему Вселенная статичная и не имеет тенденцию сужаться или расширяться. На тот момент эта теория была весьма популярной.

Чтобы объяснить отсутствие гравитационной стяжки, Эйнштейн предположил, что во Вселенной должно иметься что-то, что может создавать в общем вселенском масштабе сопротивление гравитации. Так появилась космологическая постоянная. Однако от этой идеи в 1929 году он отказался, когда астроном Эдвин Хаббл впервые увидел признаки расширяющейся Вселенной, которые он отметил в своих расчетах. В начале 90-х годов прошлого века ученые доказали, что Вселенная расширяется с ускорением, и постоянная Эйнштейна стала вновь актуальной. Астрофизики пришли к мнению, что этой постоянной, о которой Эйнштейн говорил в своих работах несколько десятилетий назад, на самом деле всегда являлась та вещь, которую сегодня мы называем темной энергией.

Так что же это такое, темная энергия? В общем понимании это космологическая постоянная, возникающая и равномерно заполняющая пространство Вселенной. Из квантовой механики нам известно, что на самом деле пустое пространство никогда не пусто – оно заполнено квантовыми частицами и энергией, которая появляется под воздействием возникновения и исчезновения этих частиц. И некоторые из этих частиц могут обладать репульсивной силой – той самой темной энергией.

Пожалуй, единственный самый спорный момент заключается в том, что предсказанный объем появляющейся темной энергии в рамках этого процесса должен быть больше, чем ныне выдвигаемый с учетом наблюдения расширения Вселенной показатель – до 120 порядков больше, если точнее. Это может говорить о том, что мы либо неправильно измеряем этот объем, либо мы совсем не понимаем, откуда именно берет свое начало темная энергия.

Новое исследование предполагает, что последний вариант наиболее вероятен, и по этому случаю выдвигается новая гипотеза. А что, если на раннем этапе своего появления Вселенная испытывала некоторую утечку энергии и эта потеря задала темп возникновения темной энергии?

«В нашей модели темная энергия представлена тем, что способно указать на тот объем энергии и импульса, которые были утрачены за всю историю Вселенной», — говорит один из исследователей Алехандро Перез.

Основной для этой новой гипотезы является альтернативная модель общей теории относительности, к которой Эйнштейн пришел в 1910-х. Она носит название модели унимодулярной гравитации. Согласно ей, энергия совсем необязательно должна сохраняться. При этом исследователи говорят, что при применении модели унимодулярной гравитации в вычислениях значение космологической постоянной идеально соотносится с теми наблюдениями, согласно которым наша Вселенная расширяется с ускорением.

Важно также отметить, что эта модель необязательно сильно противоречит нашему нынешнему пониманию Вселенной. Хотя исчезновение энергии в ранней Вселенной скажется на изменении значений объемов темной энергии, ни на что другое оно влиять не будет, или по крайней мере это не будет заметно в наших современных экспериментах.

«Энергия вещества, составляющего материю, может передаваться гравитационному полю, и эта «потеря энергии» будет выступать в роли космологической постоянной — она не будет разбавляться позже с расширением Вселенной», — говорит Тибо Жоссе, еще один член исследовательской группы.

«С учетом этого, потеря или создание энергии в далеком прошлом может иметь серьезные последствия сегодня и при этом на совершенно ином уровне и в более крупных больших масштабах».

Здесь, однако, возникает вопрос: если исчезновение энергии не несет никаких эффектов на Вселенную, кроме как изменяет значение самой темной энергии, то каким образом можно проверить правильность или неправильность этой гипотезы? В этом и заключается основная проблема.

«Наше предложение носит весьма общий характер, и любое изменение закона сохранения энергии, вероятнее всего, внесет свой вклад в эффективность космологической постоянной. Например, это может установить новые ограничения на феноменологические модели, стоящие за пределами квантовой механики», — говорит Жоссе.

«С другой стороны, прямые доказательства того, что темная энергия подпитывается от изменяющей свое состояние обычной энергии, кажутся за гранью реальности, так как у нас уже есть значение лямбда-члена (она же – космологическая постоянная), и, кроме того, мы ограничены лишь последним временем ее (темной энергии) эволюции».

В общем и целом данная гипотеза представляется тем, чем она пока и есть гипотезой, которая еще не проходила проверки. Однако физики говорят, что хотят более детально ее исследовать на предмет вероятности в будущем.

«Ни о какой определенности речи не идет. Но эта новая идея представляется как минимум интересной и поэтому заслуживает внимания», — говорит Ли Смолин, физик-теоретик из канадского Института теоретической физики в Ватерлоо, не принимавший участия в этом исследовании.

information-technology.ru

Темная материя и темная энергия во Вселенной. 6. Темная энергия

Дорогие коллеги! Хотелось мне, как бывшему физику, узнать факты о нашей вселенной но все сегодняшние гипотезы меня разочаровали. Пришлось сделать свои наброски вселенной. Возможно они у многих вызовут ещё больше споров.

Ускоренное расширение вселенной без ТЕ..

Во время большого взрыва появилась масса и антимасса. Масса это то что мы до сегодня видим в космосе.Подобно законам электростатике, но наоборот, законы гравитации есть следующие: между массой действует гравитация между антимассой тоже, а вот между массой и антимассой действует антигравитация.

Я предполагаю что ускорение происходит за счёт "туч газа" частиц с антигравитацией к обычной материи находящиеся в основном между галактическими кластерами.Скопления этого "газа" не разлетаются из-за гравитации частиц антимассы к друг другу и расположению в середине сот созданными галактическими кластерами, где находятся постоянные минимумы градиента гравитационного поля. Именно этот "газ", определяет геометрию распределения и кинематику движения галактик в пространстве. Представьте вселенную как мыльную пену, внутри пузырьков находится газ частиц с антигравитацией, а стенки пузыриков образованные как раз скоплениями галактик. Так же эти пузырьки газа притягиваются к друг другу постепенно скапливаясь в "центре" (эх опять центр вселенной), а галактики вытесняются наружу. Такая модель придумана из-за нужды объяснить ускорение расширения всех видимых галактик. Не конденсируется "газ" частиц с антимассой из-за отсутствия сил сильного взаимодействия у этих частиц.

Сегодня тоже должно преобладать больше антимассы в центре вселенной, которая там между собой удерживается гравитацией, а масса которую мы видим в галактиках, звёздах, планетах удерживающихся между собой гравитацией разлетается с ускорением из-за антигравитации к антимассы находящийся преимущественно в центре. По этому вселенная расширяется с ускорением.

Красное смещение и растяжение во времени вспышек сверхновых...

Допускаю что эффекты красного смещение и растяжение во времени импульса сверхновой создается многими разными накладывающимися друг на друга физическими явлениями!Известно что классического эффекта Доплера для объяснения красного смещения света не хватает, поищем дополнительные...

Если считать, что свет проходит в движущихся "облаках" частиц антимассы, а также что эти частицы антимассы реагируют/сталкиваются со светом подобно явлению Комптона, смещая его в сторону длинных волн (почему нету расщепления/рассеивания/размытия спектра? частиц _много_ и очень маленьких, все кванты света от удалённой галактики/сверхновой подвергаются рассеиванию/столкновениям с этими частицами _одинаковый_порядок_ раз по этому расщепления/размытия спектра не наблюдается) и имеем дополнительный эффект красного смещения. Я не даю никаких оценок/расчётов, но думаю, что если просуммировать _все_ факторы которые уменьшают длину волны и растягивают длительность вспышки и хорошенько поискать ещё не хватающие, то можно было бы обойтись в этом деле и без "растяжения пространства".

Частица может обладать всеми этими свойствами одновременно. Вот электрон обладает, массой, зарядом и на нем проявляется эффект Комптона. Я все оценки прозрачности и другие делать не буду, а оставляю как гипотезу. Такой "газ" частиц с антигравитации может быть вполне прозрачным для видимости дальних галактик и влиять на свет только растягивая его импульсы во времени и и дополнительно увеличивает длину волны.

С явлением Комптона есть проблема - насколько я понял его природу, то для массы частицы, есть предел длины волны для которой будет это явление, так для частицы размером с электрон этот предел лежит в диапазоне за ультрафиолетом, мягкое рентгеновское излучение. Чтобы сдвигать в красную область видимый спектр, инфракрасный и радиоволны, масса такой частицы должна быть на много порядков меньше массы электрона...Но явление Комптона на таких частицах будет наблюдаться ибо проявляется дуализм фотона он в этом случаи взаимодействует как частица а не как волна.

На поиски странной частицы антимассы!!!

Частица со странными свойствами гравитации - притягивает себе подобные и отталкивает нормальные, известные сегодня частицы, также на ней должно проявляться явление Комптона так чтобы в месте с эффектом Доплера и возможно ещё другими явлениями, получалось наблюдаемое красное смещение и растяжение во времени импульса сверхновой...

В природе ввиду антигравитации они не могут накапливаться на земле, в солнечной системе, в галактике, их надо искать в местах постоянного минимума градиента гравитационного поля, или в детекторе частиц. Для существование описанного мною эффекта Комптона их масса должна бить на много порядков меньше массы электрона. После обнаружения такой частицы надо ещё доказать, что она частица с описанным выше свойством антигравитации, то есть находясь в покое, на земле, в вакуумной камере - должна "упасть" на её потолок....

Достать реликтовую частицу антимассы с которой созданы межкластерные облака вселенной действующие антигравитацией на массу находящеюся в галактиках, очень трудно, ибо ввиду антигравитации частиц антимассы и массы за миллиарды лет бурной эволюции галактик полностью разсоединились. Так что опять можно надеяться только на поимку этой частицы антимассы с свойствами антигравитации в ускорителе с детектором частиц.

Нужна ли ТМ?

Наблюдаемая нехватка массы для гравитации в самих галактиках почти не может создаваться частицами антигравитации в межгалактическом пространстве. Вероятно галактики имеют много чёрных дыр, потухших звёзд, и другой невидемой и поэтому неучтённой массы.

Зачем всё так усложнять???

Ну современными инструментами и набором наблюдаемых физических явлений, мы пока не можем наскребсти достаточно статистических данных для выработки точных гипотез, их экспериментальной проверки и построении правильной обобщенной теории. Мне показалось что существующие гипотезы с изменениям свойств пространства, времени, и физических констант выглядят менее правдоподобными.

elementy.ru

Живая Вселенная: Что такое Темная Энергия?

Итак, что такое темная энергия?

Эйнштейн и его космологическая постоянная (лямбда-член)

с сайта www.scholarpedia.org

Из-за того, что темная энергия составляет около 70 процентов Вселенной, она просто доминирует над обычной материей. Это значит, что темная энергия управляет расширением, и, в конечном счете, определяет судьбу Вселенной

Эрик Линдер (Eric Linder)

Image credit: S. Beckwith & the HUDF Working Group (STScI), HST, ESA, NASA.

Это наблюдаемая нами Вселенная - как ее показывает Хаббл - с сотнями миллиардов галактик, вытянутыми в пространстве на 41 млрд световых лет по всем направлениям, показывающими, что происходило со Вселенной в далеком и близком прошлом, а также на что она похожа сейчас. И взгляд этот ограничен только нашим желанием и способностью видеть. Есть три больших комплекта наблюдений, которые говорят нам столько всего о Вселенной в больших масштабах.

Image credit: Northern Galactic Cap from the SDSS-III release, via http://www.sdss3.org/.

1. То, как галактики группируются в большом масштабе.

Рассматривая крупномасштабные исследования галактик, мы видим, как во Вселенной сгруппирована вся материя, как и где она сбита в кучи, а где наоборот - разрежена, где существуют огромнейшие пустоты. Внося различные ингредиенты в модель Вселенной, которой управляет Общая Относительность, мы можем моделировать, как же в ней формировались различные структуры. И мы можем сказать, что такое наша Вселенная - там, где модели совпадают с наблюдаемой нами картиной.

Image credit: ESA and the Planck Collaboration.

2. Температурные флуктуации микроволнового фонового космического излучения.

Рассматривая флуктуации температуры - горячие и холодные пятна - мы можем судить о том, где во Вселенной были самые большие и самые малые плотности, как они группировались по отношению друг к другу - на всем пути обратно во времени - вплоть до момента, отстоящего от Большого Взрыва на 380 тысяч лет! Поскольку свету пришлось путешествовать с того момента почти целые 13.8 млрд лет (а он путешествует по Вселенной 99.997% всей ее истории), мы можем получить информацию о том, какой была Вселенная в те времена, а также, как она с тех пор расширялась. Эта картина флуктуаций показывает нам также различные комбинации ингредиентов нашей Вселенной.

Image credit: Kowalski et al., Ap.J., 2008.

3. Прямые наблюдения хорошо известных нам объектов на разных расстояниях/красных смещениях в нашей Вселенной.

Все - от переменных до свойств различных галактик и далеких сверхновых - помогает нам взбираться по этой космической лестнице. И эти наблюдения говорят нам о том, как развивалась Вселенная от того времени, которое мы можем измерить - и до настоящего.

Со всеми этими тремя комплектами данных - добавляя сюда и другие измерения, хотя основными по-прежнему будут все те же три - мы можем узнать, что во Вселенной есть материя (31-32%, большинство которой - темная материя), а остальное составляет темная энергия.

Image credit: Planck Collaboration: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A Preprint; Аннотации Этана Зигеля.

И вы спросите - что же такое темная энергия, как мы узнаем ее?

В принципе - под принципом я понимаю Общую Относительность - материя, энергия, дефекты топологии и, вообще говоря все остальное, что вы может вбросить в вашу Вселенную - будет влиять на ее расширение и проявляться в двух параметрах - плотность энергии и давление.

Image credit: Large Synoptic Survey Telescope, NSF, DOE, and AURA.

Поскольку, как мы наблюдаем, Вселенная расширяется, и поскольку мы знаем, как ведет себя материя (да, и даже темная материя - согласно Общей Теории Относительности), мы можем судить о плотности и давлении темной энергии. В частности, мы знаем, что давление темной энергии отрицательно, сильно отрицательно.

В Общей Теории Относительности можно соотнести давление любого компонента Вселенной к плотности его энергии таким простым уравнением:

ρ = w P / c2,

где ρ - плотность энергии, Р- давление, с - скорость света, и w- просто какое-то число.

Image credit: A.V. Vikhlinin, R.A. Burenin, A.A. Voevodkin, M.N. Pavlinsky.

Согласно лучшим имеющимся у нас на текущий момент данным, w=-1. Со временем, мы надеемся определить его лучше, но даже сейчас мы можем определить его с точностью -1 ± 0.08 - что уже очень неплохо.

И вот в чем штука - в теории давление различных космологических компонентов нарастает с дискретностью 1/3. Например:

- у излучения (фотоны и нерелятивистская материя) w=+1/3

- у материи (обычной и темной) w=0, она практически не обладает давлением

- у космических струн (или одномерных топологических дефектов) w=-1/3. Это грань между тем, что заставляет Вселенную расширяться (меньше этого значения) или нет

- у стен доменов - или у двумерных топологических дефектов w=-2/3

- у космологической постоянной (или у текстур - трехмерных дефектов) w=-1

Это простые свойства.

Image credit: NASA / CXC, via http://chandra.harvard.edu/.

Но темная энергия может быть также чем-то совсем странным. Отношение плотности и давления у нее могут и меняться со временем. Оно может быть чем-то, чего мы совсем не понимаем. Она может быть очень, очень странной, и наши измерения, которые показывают w=-1 - лучшее, что мы сейчас видим - могут соответствовать только тому состоянию, в котором наша Вселенная пока находится.

И что мы обнаружили?

Image credit: Pearson / Addison-Wesley.

Чем дальше в прошлое мы смотрим, тем все лучше и лучше соответствует тому, что мы знаем о космологической постоянной.

Космологическая постоянная обладает следующими преимуществами:

- ее просто объяснять

- она неизменна (даже если ее значение - 0)

- ей не нужна никакая новая физика вне стандартной модели

Мы продолжим изучать различные варианты темной энергии, квинтэссенция которой - темная энергия, управляемая скалярным полем, конечно же. Но, теоретически, у нас нет пока мотивации в этих исследованиях, пока мы не обнаружим некие подтверждения тому, что темная энергия - нечто большее (или совсем другое), чем простая космологическая постоянная. И, поверьте мне, мы действительно ищем такие подтверждения.

Image credit: LSST and others, via http://www.lsst.org/lsst/science/scientist_dark_energy.

Это не значит, что темная энергия - космологическая постоянная, это значит, что пока это лучшая из имеющихся у нас гипотез - до тех пор пока не появятся опровержения, а таковых пока в виду что-то не видно. Это лучшее, что пока у нас есть.

P.S. там есть еще и отличнейшая статья про ошибку Эйнштейна - собственно, первая из этой серии. Постараюсь перевести в ближайшие дни.

www.nebulacast.com

Тёмная материя - нерешенная загадка современной науки

Содержание страницы:

В 30-х годах ХХ в. швейцарец Ф. Цвикки наблюдал за одним из самых больших галактических скоплений в созвездии Волосы Вероники. Из наблюдений выяснилось, что видимая масса скопления гораздо меньше существующей. Эти данные подтвердились через сорок лет Верой Рубин. Стало понятно, что некая тёмная материя и тёмная энергия наполняют основной массой и галактическое пространство, и любое другое.

Наличие тёмной материи начали предполагать исходя из некоторых наблюдении:

Скорости вращения галактик не убывают от центра к краям. Убывание скорости должно происходить, если галактическая масса соответствует видимой.

Исследования спутников галактик и шаровых скоплений показывали, что вся масса галактики больше общей массы её звёзд и других составляющих

Двойные галактические системы и скопления обладали большей долей тёмной материи

В эллиптических галактиках звёздной массы не хватит, чтобы удерживать горячий газ

Из всех наблюдений выявились некоторые свойства таинственного вещества. Оно может взаимодействовать с обычным веществом. Тёмная материя в несколько раз плотнее барионного, и захватывает его частицы посредством гравитационных ям. Вследствие этого происходит свечение.

Вокруг нашего светила, на расстояниях до 13 тыс. св. лет, больших объёмов тёмной материи не выявлено, хотя, по расчётам, концентрация её должна быть порядка 0,5 кг на объём Земли.

Что входит в тёмную материю (теории)

Барионная тёмная материя. Вполне логично допущение, что эта материя обычная, но плохо взаимодействующая электромагнитным образом. Поэтому обнаружить её не удаётся. Состав этого вещества может быть таким: звёзды-карлики, тёмные гало, нейтронные звёзды, чёрные дыры. Возможно присутствие звёзд кварковых и преонных, но они имеют статус объектов гипотетических. Такой вариант объяснения тёмной материи следует из космологии Большого взрыва. Исходя из этого, получается, что концентрация лёгких элементов должна быть резко отличной от наблюдаемой.
Небарионная тёмная материя. Предполагаемых объектов такого вещества достаточно. Но, конечно, всё это – теоретические модели.
Лёгкие нейтрино. Эти частицы реально существуют, и этот факт доказан. Считается, что их число во Вселенной аналогично числу фотонов. Хотя они и обладают очень малой массой, но общее число вполне может влиять на динамику пространства. Их масса в диапазоне 10-2 – 10-3 эВ. После производства некоторых экспериментов выяснилось, что лёгкие нейтрино не могут быть доминирующей частью тёмной материи.
Тяжёлые нейтрино. Эти нейтрино названы стерильными за неспособность слабого взаимодействия. Изученные свойства этих частиц таковы, что они вполне способны составить значительную часть тёмной материи. Параметры их масс — 10-1 – 10-4 эВ.
Аксионы. Такой тип частиц относится к гипотетическим нейтральным. Они введены в квантовую хромодинамику для решения некоторых проблем. Возможно, что они составляют существенную часть тёмной материи, несмотря на небольшую массу — 10-5эВ.
Суперсимметричные частицы. Теоретически существует одна такая частица — LSP. Она стабильная, и не участвует в электромагнитных и сильных взаимодействиях . Ею может быть гравитино, фотино, хиггсино и некоторые другие.
Космионы. Такие частицы ввели в физику, чтобы разрешить проблемы солнечных нейтрино. Но, после разрешения некоторых теорий, эти частицы, вероятно, исключат из числа претендентов, составляющих тёмную материю.
Дефекты пространства-времени. В вакуумном поле Вселенной могли происходить энергетические скачки. Результатом этого могла стать различная выстроенность скалярного поля. При взаимодействии областей, имеющих различную ориентацию, образовывались дефекты разных конфигураций. Объекты, полученные при этом, наделены большой массой. Они вполне могли бы стать доминирующей составляющей тёмной материи. Но пока такие частицы не обнаружены.

Классификация

Начальные стадии развития Вселенной характерны термодинамическим равновесием между частицами тёмной материи и космической плазмы. В какой-то момент началось снижение температуры, из-за чего изменились параметры пролёта частиц в плазме. Все взаимодействия с барионными частицами прекратились. Исходя из значений температуры, при которых это случилось, тёмная материя разделяется на три типа:

Горячая. Такой параметр тёмной материи получился из-за многократного превышения энергии частиц над их массой, случившегося в точке выхода из равновесия.
Холодная. Это частицы, вылетевшие из плазмы в нерелятивистском состоянии, то есть, не имеющие околосветовых скоростей. На роль таких частиц претендует класс вимпов – это массивные, но слабо взаимодействующие частицы. Они тоже пока существуют только в умах учёных. Они имеют приличную массу – больше десятков ГэВ – и остаточную концентрацию, которая способна сбалансировать энергии современной Вселенной. Сила их взаимодействия с барионным веществом позволяет надеяться на обнаружение их в прямом виде. Из теоретических разработок следует, что тёмная материя в любой галактике должна особенно концентрироваться в её центре. Но астрономические наблюдения опровергают это, показывая, что она собирается в гало вокруг галактик и наполняет межгалактические пустоты.
Тёплая. Такой тип материи составляют частицы, имеющие массу, не меньше 1 эВ. На выходе из равновесного состояния такие частицы были релятивистские. Они могли образоваться во время перехода из одной стадии расширения Вселенной в другую. Возможными кандидатами на роль такого типа материи стали нейтрино и LSP-гравитино.

Изучение тёмной материи

Пока известно о трёх методах, позволяющих производить прямые астрономические наблюдения.

Динамический. Изучаются радиальные скорости галактик в их скоплениях при помощи современных приборов.
Газодинамический. Исследуется рентгеновское излучение горячих газов скоплений.
Расчёт слабого гравитационного линзирования. Для этого метода необходимы точные изображения очень удалённых крупнейших скоплений галактик.

Фактическое обнаружение частиц

Все частицы тёмной материи не имеют электрического заряда. Это является главной трудностью в их поиске, существующем в двух вариантах.

Прямой. Используя наземную аппаратуру, проводятся изучения следствий, вытекающих из взаимодействия тёмных частиц с электронами и ядрами атомов.
Косвенный. Отыскиваются возможные потоки вторичных частиц, возникших в результате различных действий, например аннигиляции материи.

Всё усложняющиеся наблюдения учёных за нашим миром, позволяют сделать вывод, что большая часть его нам неведома. 95% всего наполнения Вселенной – интересная загадка, которую ещё предстоит решить.

light-science.ru