Содержание
Темная энергия
|
Вакуум создаёт антигравитацию, которая определяет динамику Вселенной в
В целом современная картина мира
4% вещества во Вселенной. Соотношение 3.6:0,4 установлено приТемная энергия против Альберта Эйнштейна: победа осталась за ученым
Александр
Шереметьев
новостной редактор
Открытие расширения Вселенной удалось объяснить, добавив в космологическую модель таинственную темную энергию. Вот только ее природу сложно объяснить и связать с теорией гравитации Альберта Эйнштейна. «Хайтек» рассказывает, как ученые пытаются решить одну из самых больших загадок Вселенной.
Читайте «Хайтек» в
На протяжении десятилетий теория гравитации, которая вытекает из общей теории относительности, разработанной Альбертом Эйнштейном, объясняла все процессы в космосе: от необычной орбиты Меркурия до поведения черных дыр.
Но в начале 60-х годов прошлого столетия одно открытие поставило универсальность ОТО и теории гравитации под сомнение.
В это время исследователи впервые обнаружили, что поведение далеких галактик не соответствует предсказаниям теории гравитации. Искажения пространства-времени от далеких скоплений и звездных систем оказались гораздо сильнее, чем масса таких объектов, рассчитанная на основе наблюдений.
Позже, в конце 90-х годов исследователи обнаружили еще один необычный факт. Оказывается, скорость расширения Вселенной возрастает со временем. Этот эффект бросил еще один вызов теории Альберта Эйнштейна: гравитационные воздействия материи должны были замедлять расширение Вселенной, а не ускорять его. Современная космологическая модель — модель ΛCDM — нашла ответы на эти вопросы, но ученые не оставляют надежд бросить вызов гению из первой половины XX века.
Почему ученые думают, что Вселенная расширяется ускоренно?
Ускоренное расширение Вселенной было открыто в 1998 году в результате работы сразу двух независимых команд: Проекта космологии сверхновых и Группы поиска сверхновых с высоким Z.
Обе исследовательские группы изучали ускорение расширения Вселенной, анализируя далекие звездные взрывы.
Сверхновые типа la имеют почти одинаковую стандартную светимость. Наблюдая яркость таких объектов, можно определить, насколько далеко они находятся. Кроме того, при расширении Вселенной свет от далеких объектов смещается в красную сторону спектра. Измеряя красное смещение, можно определить, насколько расширилась Вселенная с момента возникновения сверхновой.
Астрофизики во время проведения этих экспериментов были уверены, что Вселенная должна расширяться с замедлением, после чего процесс должен был либо остановиться, либо перейти к сжатию. Но неожиданным результатом, к которому независимо пришли обе группы ученых, стало то, что Вселенная расширяется с ускорением.
Расширение Вселенной позже было подтверждено другими методами. Измерение космологического микроволнового фона (следов Большого взрыва), эффектов гравитационного линзирования и анализ барионных акустических колебаний подтверждают гипотезу о расширении Вселенной.
В 2007 году обеим командам, открывшим эффект расширения Вселенной, была присуждена премия Грубера в области космологии, а в 2011 трое из участников были удостоены Нобелевской премии по физике.
Ускоренное расширении Вселенной. Изображение: NASA, STSci, Ann Feild
Как объяснить ускоренное расширение?
Чтобы объяснить результаты наблюдений (расширение Вселенной и более сильное искажение пространства-времени от далеких галактик), ученые ввели две новых модели — темную материю и темную энергию.
Темная материя — это гипотетическая форма материи, которая, как полагают ученые, составляет примерно 85% материи во Вселенной. Ее называют темной, потому что она никак не взаимодействует с электромагнитным полем. Иными словами, такая материя не отражает, не поглощает и не излучает свет и другие электромагнитные волны. Тем не менее, у нее есть собственная масса, а значит, и гравитационное воздействие. Добавление темной материи в космологические модели позволяет объяснить более мощную гравитацию далеких галактик.
Темная энергия — это гипотетическая форма энергии, в отличие от темной материи про нее пока мало что известно. Считается, что темная энергия очень однородная, не очень плотная и не может взаимодействовать ни с одной из фундаментальных сил, кроме гравитации. Эту энергию связывают с энергией вакуума. Если предположить, что по мере расширения Вселенной и увеличения свободного пространства эта энергия возрастает, то можно объяснить переход от равномерного к ускоренному расширению.
Хотя гипотеза темной энергии хорошо описывает наблюдаемые во Вселенной процессы, само ее наличие и взаимодействие только с гравитационным полем трудно связать с общей теорией относительности и теорией гравитации Эйнштейна.
Как проверить работу теории?
Некоторые ученые полагают, что, если теория гравитации не может объяснить темную энергию, возможно, она неполная, и нужно добавить в уравнение дополнительный параметр или переменную, которая свяжет все наблюдения воедино. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые ищут в прошлом признаки нарушения теории гравитации.
Одна из таких работ — международное исследования темной энергии с использованием 4-метрового телескопа Виктора Бланко в Чили. Результаты этого наблюдения были представлены в августе на Международной конференции по физике элементарных частиц и космологии (COSMO’22) в Рио-де-Жанейро.
Участники исследования искали доказательства того, что сила гравитации менялась на протяжении всей истории Вселенной, либо в далеком прошлом. Для своей работы они использовали, помимо основного телескопа Бланко, данные спутника «Планк» Европейского космического агентства.
Астрофизики исследовали изображения галактик на наличие более тонких искажений из-за искривления пространства темной материей — эффекта, называемого слабым гравитационным линзированием. Сила гравитации определяет размер и распределение структур темной материи, а размер и распределение, в свою очередь, определяют, насколько искривленными кажутся нам эти галактики.
Измеряя все эти параметры, можно определить силу гравитации в далеких галактиках.
А поскольку свет от них доходит до нас через миллионы и миллиарды лет, по сути, ученые исследуют, как вела себя гравитация в прошлом.
Исследователи сообщили, что уже изучены гравитационные силы и формы в более 100 млн галактик, но во всех экспериментах наблюдения полностью соответствуют теории Эйнштейна. А значит, природа темной энергии остается загадкой.
Гравитационное линзирование, как то, что видно на первом изображении «Джеймса Уэбба», помогает ученым исследовать темную материю и гравитацию в далеких системах. Изображение: NASA, ESA, CSA, STScI
Что дальше?
Теория Эйнштейна пока устояла, но исследователи продолжают проверять ее на прочность. Новую попытку объяснить природу темной энергии предпримут спутниковые миссии. В 2023 году Европейское космическое агентство планирует запустить космический телескоп «Евклид». Приборы устройства будут измерять красные смещения галактик, находящихся на разном расстоянии от Земли, и исследовать связь красного смещения и расстояния.
Разработчики ожидают, что «Евклид» сможет заглянуть на 8 млрд лет назад. С помощью сверхточных измерений он сможет узнать, как обстояли дела с гравитацией, темной материей и темной энергии в эту эпоху.
Похожую миссию планирует НАСА: в 2027 году оно планирует вывести на орбиту Земли космический телескоп Nancy Grace Roman. Исследователи полагают, что он сможет изучить галактики, расположенные на расстоянии в 11 млрд световых лет и изучить самую раннюю Вселенную.
Читать далее:
Первые снимки подземной части Марса удивили ученых
С тела — в рот: ученые поняли, откуда появились зубы
Где на планете будет опаснее всего к 2100 году: опубликована новая карта
На обложке: Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Темная энергия | КОСМОС
Темная энергия — это гипотетическая форма энергии, которая оказывает отрицательное отталкивающее давление и ведет себя как противоположность гравитации.
Было высказано предположение, что это объясняет наблюдательные свойства далеких сверхновых типа Ia, которые показывают, что Вселенная проходит ускоренный период расширения. Как и темная материя, темная энергия не наблюдается напрямую, а выводится из наблюдений за гравитационными взаимодействиями между астрономическими объектами.
Схематическое изображение полной плотности массы-энергии во Вселенной.
Авторы и права: Swinburne
Темная энергия составляет 72% от общей плотности энергии-массы во Вселенной. Другим доминирующим вкладчиком является темная материя, а небольшое ее количество приходится на атомы или барионную материю.
В 1998 году две группы астрономов объявили, что далекие сверхновые z~1 типа Ia были немного слабее, чем предсказывает модель расширяющейся (но замедляющейся) Вселенной. Чтобы быть тусклее, сверхновые должны быть дальше, а это требует, чтобы в прошлом расширение Вселенной было медленнее. Обе команды согласились, что Вселенная переживает фазу ускоренного расширения.
Темная Энергия была вызвана для управления этим ускорением.
В начале 20-го века Альберт Эйнштейн обратился к «космологической постоянной» (обычно обозначаемой греческой буквой лямбда, Λ). Это была вакуумная энергия пустого пространства, которая удерживала вселенную (предсказанную его уравнениями поля общей теории относительности) в статике, а не сжималась или расширялась. Это обеспечило способ уравновесить гравитационное сжатие, вызванное материей. Как только было обнаружено, что Вселенная расширяется, Эйнштейн поспешно удалил свою космологическую постоянную. Однако, если темная энергия описывается чем-то вроде космологической постоянной Эйнштейна, она не просто уравновешивает гравитацию, чтобы сохранить статичную Вселенную, но имеет отрицательное давление, вызывающее ускорение расширения.
Были предложены и другие типы темной энергии, в том числе космическое поле, связанное с инфляцией, и другое низкоэнергетическое поле, получившее название «квинтэссенция».
Считается, что очень ранняя Вселенная также прошла через период быстрого расширения, называемого инфляцией.
Инфляция, произошедшая примерно через 10 −36 секунд после Большого взрыва, сгладила Вселенную и сделала ее геометрически плоской. Если плотность Вселенной в точности равна критической плотности, то геометрия Вселенной плоская, как лист бумаги. Для Вселенной, где преобладает материя, критическая плотность (эквивалентная примерно 6 протонам на м 3 ) находится точно между плотностью, необходимой для тяжелой вселенной, которая в конечном итоге схлопнется, и плотностью, необходимой для легкой вселенной, которая будет расширяться вечно. Когда сегодня астрономы измеряют количество материи и энергии во Вселенной, они получают примерно около 30% того, что необходимо для того, чтобы Вселенная стала плоской. Добавление темной энергии к балансу массы и энергии делает вселенную плоской. Простейшая версия инфляции предсказывает, что плотность Вселенной очень близка к критической плотности.
Космический корабль WMAP измерил геометрию Вселенной. Если бы Вселенная была плоской, самые яркие фоновые флуктуации (или «пятна») космического микроволнового излучения имели бы диаметр около 1 градуса.
WMAP подтвердил этот размер пятна с очень высокой точностью. Теперь мы знаем, что Вселенная плоская, с погрешностью всего 2%.
Далекие сверхновые типа Ia.
Авторы и права: П. Гарнавич (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики) и группа поиска сверхновых звезд High-z и НАСА. земля, огонь и вода. В то время как космологическая постоянная — это особая форма энергии, энергия вакуума, квинтэссенция — это динамичная, развивающаяся во времени и пространственно зависимая форма энергии. Это квантовое поле с кинетической и потенциальной энергией.
В зависимости от соотношения двух энергий и давления, которое они оказывают, квинтэссенция может либо притягивать, либо отталкивать. У него есть уравнение состояния (связывающее его давление p и плотность ρ) p = wρ, где w равно уравнению состояния энергетического компонента, доминирующего во Вселенной. Если w претерпевает переход к значению менее -1/3, это инициирует ускоренное расширение. Напротив, космологическая постоянная статична, с фиксированной плотностью энергии и w = −1.
Существует ряд текущих программ, направленных на то, чтобы узнать больше о темной энергии. Одно из таких исследований включает измерение барионных акустических колебаний (БАО).
Были предложены альтернативы темной энергии. Некоторые ученые предположили, что наша Галактика находится внутри области с низкой плотностью, вызванной прохождением волны плотности. Большой взрыв мог создать эту крупномасштабную волну в пространстве-времени. Когда эта первичная волна прошла через Вселенную, она оставила после себя рябь с низкой плотностью диаметром в несколько десятков миллионов световых лет, в которой сейчас находится Галактика. Хотя это различие в свойствах пространства-времени возможно, оно нарушило бы принцип Коперника, который утверждает, что Вселенная в больших масштабах однородна.
Темная материя и темная энергия
Видимая вселенная — , включая Землю, Солнце, другие звезды и галактики — состоит из протонов, нейтронов и электронов, объединенных в атомы.
Возможно, одним из самых удивительных открытий 20-го века было то, что эта обычная, или барионная, материя составляет менее 5 процентов массы Вселенной.
Остальная часть Вселенной, по-видимому, состоит из загадочной невидимой субстанции, называемой темной материей (25 процентов), и силы, которая отталкивает гравитацию, известной как темная энергия (70 процентов).
Раскрытие тайны
Ученые еще не наблюдали темную материю напрямую. Он не взаимодействует с барионной материей и совершенно невидим для света и других форм электромагнитного излучения, что делает невозможным обнаружение темной материи современными инструментами. Но ученые уверены, что он существует из-за гравитационных эффектов, которые он оказывает на галактики и скопления галактик.
Например, согласно стандартной физике, звезды на краях вращающейся спиральной галактики должны двигаться намного медленнее, чем звезды вблизи галактического центра, где сосредоточена видимая материя галактики. Но наблюдения показывают, что звезды вращаются с более или менее одинаковой скоростью независимо от того, где они находятся в галактическом диске.
Этот загадочный результат имеет смысл, если предположить, что пограничные звезды испытывают гравитационное воздействие невидимой массы 9.0038 — темная материя — в гало вокруг галактики.
Темная материя также может объяснить некоторые оптические иллюзии, которые астрономы видят в глубинах Вселенной. Например, изображения галактик со странными кольцами и световыми дугами можно объяснить, если свет от еще более далеких галактик искажается и усиливается массивными невидимыми облаками темной материи на переднем плане — явление, известное как гравитационное линзирование.
У ученых есть несколько идей о том, чем может быть темная материя. Одна из ведущих гипотез состоит в том, что темная материя состоит из экзотических частиц, которые не взаимодействуют с обычной материей или светом, но все же оказывают гравитационное притяжение. Несколько научных групп, в том числе группа на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, в настоящее время работают над созданием частиц темной материи для изучения в лаборатории.
Другие ученые считают, что эффекты темной материи можно объяснить, коренным образом изменив наши теории гравитации. Согласно таким представлениям, существует множество форм гравитации, и крупномасштабная гравитация, управляющая галактиками, отличается от гравитации, к которой мы привыкли.
Расширяющаяся Вселенная
Темная энергия еще более загадочна, и ее открытие в 1990-х годах стало для ученых полным шоком. Ранее физики предполагали, что сила притяжения гравитации будет замедлять расширение Вселенной с течением времени. Но когда две независимые команды попытались измерить скорость замедления, они обнаружили, что расширение на самом деле ускоряется. Один ученый сравнил это открытие с подбрасыванием в воздух связок ключей, ожидая, что они упадут обратно, но только для того, чтобы увидеть, как они летят прямо к потолку.
Теперь ученые считают, что ускоренное расширение Вселенной обусловлено некой силой отталкивания, создаваемой квантовыми флуктуациями в «пустом» пространстве.
Более того, кажется, что эта сила становится сильнее по мере расширения Вселенной. За неимением лучшего названия ученые называют эту таинственную силу темной энергией.
В отличие от темной материи, у ученых нет правдоподобного объяснения темной энергии. Согласно одной идее, темная энергия — это пятый и ранее неизвестный тип фундаментальной силы, называемой квинтэссенцией, которая наполняет вселенную подобно жидкости.
Многие ученые также отмечали, что известные свойства темной энергии согласуются с космологической постоянной, математическим пластырем, который Альберт Эйнштейн добавил к своей общей теории относительности, чтобы его уравнения соответствовали понятию статической Вселенной. Согласно Эйнштейну, константа — это сила отталкивания, противодействующая гравитации и удерживающая Вселенную от коллапса сама по себе. Позже Эйнштейн отказался от этой идеи, когда астрономические наблюдения показали, что Вселенная расширяется, назвав космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой».