G299 – остатки сверхновой типа Ia
Два десятилетия наблюдений за взрывами сверхновых и новый мощный инструмент анализа данных смогли дать нам наиболее подробный обзор тёмной энергии и тёмной материи на сегодняшний день.
Тёмная энергия и тёмная материя – иногда их называют совместно «тёмной Вселенной» — тёмные лошадки современной науки. С одной стороны, они вносят вклад в не менее, чем в 95% общей энергии и материи Вселенной. С другой стороны, их никак не получается наблюдать напрямую. Вывод о существовании тёмной энергии делается на основе факта расширения Вселенной. Тёмная материя, ничего не излучающая и взаимодействующая со всей остальной материей и энергией только через гравитацию, обнаруживается через особенности вращения галактик и другие признаки.
Новый анализ, который авторы назвали Pantheon+, подтверждает, что всё содержимое массы-энергии Вселенной на две трети состоит из тёмной энергии и на треть из материи, причём большая часть последней – это тёмная материя. Также анализ подтвердил, что в последние несколько миллиардов лет Вселенная расширяется с ускорением. Главный спор – точное значение скорости этого расширения – пока остаётся неразрешённым.
Результаты, полученные астрофизиками в рамках проекта Pantheon+, дают дополнительные статистические свидетельства того, что современные космологические теории дают наилучшее объяснение поведения тёмной энергии и тёмной материи. А значит, Pantheon+ может закрыть вопрос альтернативных научных платформ, пытающихся объяснить эти загадочные природные аспекты, а также улучшить понимание учёными свойств тёмной вселенной.
«Эти результаты проекта Pantheon+ дают нам наиболее точные ограничения динамики и истории развития Вселенной на сегодняшний день», — сказал Диллон Браут, астрофизик из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. «Мы прошлись по всем данным и можем с уверенностью большей, чем когда-либо, описать эволюцию Вселенной на протяжении огромного количества лет, а также подтвердить существующие теории, касающиеся тёмной энергии и тёмной материи».
Проливаем свет на тёмную Вселенную при помощи космических свечей
Предшественник данного проекта, Pantheon, разрабатывал Дэн Школьник — физик из Университета Дьюка в Северной Каролине и соавтор нового проекта. Предыдущий проект, стартовавший несколько лет назад, работал с данными по 1000 сверхновых.
В новом исследовании Браут, Школьник и коллеги дополнили базу до 1500 сверхновых. Также они улучшили техники анализа и учли новые потенциальные источники ошибок. В результате точность у Pantheon+ выросла вдвое по сравнению с Pantheon.
Технология определения астрономических расстояний зиждется на сверхновых типа Ia. Это явление связано с останками звёзд, белыми карликами, которым удаётся перетянуть достаточно большой объём материи со звезды-компаньона. Это запускает выходящую из-под контроля термоядерную реакцию и последующий взрыв.
Подобные космические взрывы бывают такими яркими, что на короткое время способны превзойти по яркости суммарную яркость всех звёзд в галактике. Астрономы могут наблюдать подобные сверхновые на расстояниях до 10 млрд световых лет. Естественно, наблюдая звезду, находящуюся в 10 млрд световых лет от нас, мы наблюдаем её в состоянии, в котором она находилась 10 млрд лет назад – когда возраст Вселенной был в 4 раза меньше.
Поскольку массы белых карликов, способных взорваться описанным образом, ограничены сверху, сверхновые типа Ia обладают одинаковой максимальной светимостью, поэтому могут использоваться в качестве «стандартных свечей» — объектов заранее известной яркости, благодаря которым можно измерять расстояния до далёких галактик.
Расстояние измеряется на основе закона об убывании яркости света. Расширение Вселенной рассчитать труднее – нужно определить степень красного смещения света, который «растягивается» из-за расширения, путешествуя миллиарды лет по Вселенной.
Красное смещение света от различных сверхновых, расположенных на различных расстояниях, даёт представление о том, как быстро Вселенная расширялась на различных этапах своего развития. Эти измерения в свою очередь можно использовать для проверки теорий, описывающих фундаментальные компоненты Вселенной – в том числе, и тёмную материю с тёмной энергией.
Две разных команды учёных в 1998 году использовали наблюдения за далёкими сверхновыми типа Ia и пришли к выводу, что Вселенная расширяется с ускорением. Это стало шоком для большинства физиков, считавших, что фактор, запустивший изначальное быстрое расширение Вселенной – Большой взрыв – больше не действует, и расширение Вселенной должно замедляться из-за гравитации.
Фактор, приводящий к постоянному расширению ткани пространства, назвали тёмной энергией. Тёмная материя, наоборот, удерживает при помощи гравитации звёзды в галактиках, не давая им разлетаться.
Расширение Вселенной начало ускоряться, когда тёмная энергия начала доминировать над гравитационным влиянием материи – в основном, тёмной – и стала расширять Вселенную со всё возрастающей скоростью.
«При помощи базы данных Pantheon+ мы способны очень точно отследить развитие Вселенной с того времени, когда в ней доминировала тёмная материя, до того момента, когда в ней стала доминировать тёмная энергия, — сказал Браут. – Этот набор данных – уникальная возможность увидеть, как тёмная энергия включилась и начала влиять на эволюцию космоса на крупнейших масштабах, и влияет до сих пор».
Проблема постоянной Хаббла не разрешилась
С другой стороны, анализ Pantheon+ обострил существующую в космологии проблему.
Скорость расширения Вселенной, а точнее – разбегания галактик, пропорциональна коэффициенту под названием «постоянная Хаббла». Анализ Pantheon+ с помощью стандартных свечей позволил оценить её в 73,4 (км/с)/Мпк с погрешностью в 1,3%.
Другой способ оценить эту постоянную – использовать данные по реликтовому излучению. Проблема в том, что при таком подходе получается другое число — 67,4 ± 0,5 (км/c)/Мпк. Это расхождение называют «напряжённостью Хаббла», и полученные в проекте Pantheon+ результаты только подчёркивают это различие. По расчётам, вероятность того, что оно случайно, составляет 1:1 000 000. Несмотря на это, новый анализ может помочь найти первопричину этого расхождения.
«Мы подумали, что сможем найти в наших данных ключи к новому решению старых проблем, однако вместо этого данные отмели некоторые варианты разрешения проблемы и расхождение стало ещё упрямее, чем когда бы то ни было, — сказал Браут. – В последнее время появилось множество теорий, предполагающих наличие экзотической физики в ранней Вселенной, однако им ещё предстоит выдержать строгую научную проверку».
Pantheon+ суммирует наблюдения за сверхновыми типа Ia, проведённые с 1998 года, когда произошло прорывное открытие тёмной энергии.
Одним из соавторов нового исследования был Адам Рисс – космолог из университета Джонса Хопкинса, и один из членов команды, сделавших это открытие 1998 года. За открытие ускоренного расширения Вселенной в 2011 году он получил Нобелевскую премию.
По словам Рисса, по многим параметрам проект Pantheon+ стал кульминацией более чем двадцатилетней работы по расшифровке сути космоса, проделанной наблюдателями и теоретиками всего мира.
Исследование команды описано в серии статей, опубликованных в журнале Astrophysical Journal.
Комментарии (29)
philosoph
14.12.2022 18:21+1Центр вселенной... И в каком он направлении и как выглядит?...
Sun-ami
14.12.2022 21:40+6Вроде бы, выглядит как холодное пятно в реликтовом излучении, если я ничего не путаю. Находится в созвездии Эридана. Но его главный признак — относительно высокая постоянная Хаббла в направлении на него и от него (в другую сторону). Потому что по гипотезе пульсирующей Вселенной там находится огромная растущая чёрная дыра, которая через несколько десятков миллиардов лет поглотит окружающую нас область Вселенной, после чего красное смещение далёких объектов сменится голубым смещением, и пространство станет медленно сжиматься. Смысл в том, что в направлении на эту чёрную дыру, и противоположном направлении, видимая скорость изменения скорости расширения Вселенной изменяется быстрее, чем в остальных направлениях, и чем ближе к нам горизонт событий — тем быстрее она меняется. А закончится это сжатие, когда реликтовое излучение перейдёт из микроволновой области спектра в область гамма-лучей высоких энергий, которые разрушат атомы обычного вещества, и останутся только чёрные дыры, и возможно — не до конца испарившиеся остатки нейтронных звёзд.
domix32
15.12.2022 13:53А есть какие-то прикидки насколько сильным должно быть излучение Хокинга от такой дыры и насколько оно отличается от фонового излучения прочих звёзд? Какие гравитационные маневры вокруг настолько массивной ЧД должны происходить?
Sun-ami
15.12.2022 17:19+1Излучение Хокинга может быть сколько-нибудь заметным только у очень маленьких чёрных дыр. Уже у обычных сверхмассивных чёрных дыр оно практически отсутствует. А у таких гигантских — тем более.
phenik
14.12.2022 18:27+2Результаты, полученные астрофизиками в рамках проекта Pantheon+, дают дополнительные статистические свидетельства того, что современные космологические теории дают наилучшее объяснение поведения тёмной энергии и тёмной материи. А значит, Pantheon+ может закрыть вопрос альтернативных научных платформ, пытающихся объяснить эти загадочные природные аспекты, а также улучшить понимание учёными свойств тёмной вселенной.
В другой статье на тему ТМ написал развернутый комент с перечислением пунктов которые необходимо опровергнуть альтернативщикам для объяснения ТМ, как следствий нарушений в ОТО, и необходимости ее модификации.
DancingOnWater
14.12.2022 23:46Ну как бы вам сказать, темная энергия не предсказывается ОТО, лямбда член в уравнения Фридмана вводится руками. Причина - необходимо обеспечить гравитационное отталкивание. Насколько мне известно, такого в лабораторных условиях, или к ним приближенным, не наблюдалось.
phenik
15.12.2022 04:25+1Ну как бы вам сказать, темная энергия не предсказывается ОТО
Мой комент был именно о ТМ. Космологическую постоянную ввел Эйнштейн в модели стационарной Вселенной, от которого отказались, когда Фридман нашел нестационарное решение в виде расширяющейся Вселенной, подтвержденное наблюдениями Хаббла. К идеи космологической постоянной вернулись в виде лямбда члена, когда открыли ускоренное расширение Вселенной.
Когда пишите коменты все же проверяйте написанное хотя бы по вики)DancingOnWater
15.12.2022 04:52+1И? Это отменяет то, что я сказал?
P.S. статью в Вики писал я.
phenik
15.12.2022 08:27Вы с кем общаетесь? Во-первых, ничего не писал про ТЭ, во-вторых, если это предположение как-то противоречит ОТО, то объясните как?
Исходно в уравнении Фридмана лямбда-члена не было. Его реинкарнировали только после открытия ускоренного расширения Вселенной.DancingOnWater
15.12.2022 08:48Вы процитировали утверждение об альтернативных космологических моделях, которые якобы закрыты. Но это не так. В уравнениях Фридмана есть одно важное предположение: вселенная рассматривается как единый объект, к которому можно применить уравнения ОТО.
Однако, чтобы согласовать полученную нами модель необходимо ввести сущность, о которой мы ничего не знаем из других наблюдений или экспериментов. Да и свойство которой противоречит накопленному опыту.
phenik
15.12.2022 14:37+1Вы процитировали утверждение об альтернативных космологических моделях, которые якобы закрыты. Но это не так.
Больше имел в виду модели объясняющие ТМ модификацией теорий гравитации, что, возможно, имел в виду и автор в приведенной цитате.В уравнениях Фридмана есть одно важное предположение: вселенная рассматривается как единый объект, к которому можно применить уравнения ОТО.
Это одно из космологических решений, которое пока наилучшим образом объясняет наблюдательные факты и позволяет делать некоторые предсказания. Были и возможны другие решения, и не только аналитического характера. Путем подгонки вычислительных моделей на огромных массивах данных наблюдений, объемы которых растут неимоверно из-за работы современных астрофизических средств наблюдения, или даже использования машинного обучения. Такой тренд отчетливо наблюдается.Однако, чтобы согласовать полученную нами модель необходимо ввести сущность, о которой мы ничего не знаем из других наблюдений или экспериментов.
История физики изобилует такими временными ad hoc сущностями — эфир, теплород, флогистон, и тд, с известной историей их конца. Обычно их экспериментальное опровержение служило источником новых концептуальных представлений и теорий на их основе. В случае эфира ТО, в случае теплорода МКТ. Это такие воображаемые сущности на которые физики сублимируют желаемые свойства с целью объяснения наблюдаемого поведения реальных объектов. Почти как девушки сублимируют все прекрасное в мечты о принце на белом коне) И когда наконец заполучают реального мужика со временем корректируют свои концептуальные представления о жизни в новых реалиях. Что-то подобное должно случиться и с лямбда-членом) то бишь ТЭ. Первая попытка с энергией вакуума вышла пока курьезной из-за значительного расхождения. Кто виноват? ОТО или КТП, и как их свести вопросы исключительно эмпирического поиска. Их результатом должно быть обнаружение противоречия в одной из теорий, которое укажет путь ее развития, и возможно объединения. Звучит банально, но как не понять, например, эту историю утраты мечты о принце на белом коне. Эти методологические моменты особенно хорошо должны понимать функционеры от науки определяющие статьи расходов в бюджетах на исследования и образование. Что происходит когда на это влияют теоретики от одной партии хорошо описал Ли Смолин.DancingOnWater
15.12.2022 16:25Больше имел в виду модели объясняющие ТМ модификацией теорий гравитации, что, возможно, имел в виду и автор в приведенной цитате
ТМ опосредствованно связана с космологией, она лишь один из параметров при согласовании модели с наблюдательными данными. Без нее, наверное, оценка погрешности была бы больше.
В качестве объяснения ТМ предлагают модифицировать ньютоновскую динамику и ОТО меняется по транзитивности. А вот для расширения предлагается различные на сильно различных идеях.
phenik
16.12.2022 07:47В качестве объяснения ТМ предлагают модифицировать ньютоновскую динамику и ОТО меняется по транзитивности.
Просто так ОТО не поменяется. Если вы имеете в виду MOND, то ее релятивистским развитием является TeVeS, автор которой сотрудничал с Милгромом при ее разработке, для обеспечения обратной совместимости. Однако по прошествии почти 20 лет со времени ее разработки особых подтверждений она не получила. Не было также каких-либо важных предсказаний на ее основе. Поскольку в исходной MOND фактически не соблюдался принцип эквивалентности, то и в этой теории это под сомнением, хотя автор утверждает, что исходил из этого принципа при разработке.
Сама идея начинать с модификации ньютоновской динамики кажется противоречивой с точки зрения методологии физического познания, см. пояснения в этой ветке. В этом отношении подход к ТМ, как расширения СМ, или модификаций ОТО, как ее развития в новой концептуальной модели кажутся более логичными. Однако все упирается в то, что в обоих случаях не найдены воспроизводимые экспериментальные указания на противоречия в СМ (или даже КТП) или ОТО. Т.е. ТМ не объясняется ими, но и не противоречит пока по имеющимся данным наблюдений.
BiosUefi
14.12.2022 20:00+1》Вывод о существовании тёмной энергии делается на основе факта расширения Вселенной.
А как собственно связаны тёмная энергия и расширение? Дилетантам связь совсем не прозрачна.
DancingOnWater
14.12.2022 22:57+1Если вкратце, темная энергией называют нечто, отвечающее за ускоренное расширение. Подробности в википедии в статье Вселенная Фридмана. Ну и мне тоже можно задавать вопросы.
BiosUefi
15.12.2022 12:33Смущает термин "энергия". Почему не "Тёмная материя-А" и "Тёмная материя-Б"?
Энергия вакуумных флуктуаций? Так вроде это и есть уже "вакуум", сущность у него такая "кипучая/кипящая". Стоит плодить отдельный вид "энергии"? Или это попытка описать источник "кипения/флуктуаций"?
domix32
15.12.2022 14:03Потому что подразумевается, что материя имеет некоторую массу и участвует в гравитационном взаимодействии, но не электромагнитном. Обычно используется для объяснения почему скорость вращения движения рукавов галактик не уменьшается по мере удаления от центра оных. Тёмная же энергия всплвает как дополнительная кинетическая энергия при движении звездных объектов и при этом не известно что стало/является источником этого избыточного ускорения, оно не эквивалентно тёмной материи.
DancingOnWater
15.12.2022 14:16+1Хороший вопрос.
-
Энергия, т.к. если рассмотреть уравнение ОТО с лямбда членом:
В пустом пространстве, тензор энергии-импульса (T_{ab}), нулевой, но при не нулевой лямбде искривление, т.е. гравитация, есть. Иными словами, термин "темная материя-2" вводил бы путаницу. Думаю, вполне бы могли назвать "темная масса", но мне кажется назвали из симметрии: справа в выражении стоит кривизна, а слева энергия, красота :);
Нет, это не вакуумные флуктуации, т.к. исходя из них значение лямбды должно быть никак не меньше 10^{-17} м^{-2}, а из наблюдений 10^{-53} м^{-2}.
kauri_39
15.12.2022 20:52Лямбда вроде должна выражать антигравитационное свойство пространства - физического вакуума. Это нужно и для статичной Вселенной, и для расширящейся с ускорением. Почему же в уравнении тёмную энергию наделяют гравитацией? Только лишь потому, что энергию вакуума выражают как в КТП - через виртуальные частицы, энергия которых обязана гравитировать?
DancingOnWater
15.12.2022 22:13Скорее всего тут стоит другая логика: справа стоит энергия, но мы знаем, что Е=mc^2, если она будет отрицательна, то и масса становится отрицательной, чего не хочется.
kauri_39
15.12.2022 23:06Наверное, это проблемы математического выражения реальности. Если по-другому нельзя выразить антигравитационную энергию пространства, то пусть выражающая её масса будет отрицательной. Есть же отрицательное давление для космического вакуума. В модели LCDM антигравитация как-то выражается...
Хотя прежде чем браться за математику и наполнять Вселенную дополнительной тёмной материей и противостоящей ей тёмной энергией следовало бы разобраться с природой гравитации...
DancingOnWater
16.12.2022 07:30Природа гравитации понятна - искривление пространства-времени. Гравитационное линзирование ничем другим объяснить невозможно.
Модель LCDM является частным случаем вселенной Фридмана, уравнение выше берется как одно из исходных при ее выводе.
Темная материя, штука странная, но ее существование вытекает из целого ряда наблюдений никак не связанных с космологией.
kauri_39
16.12.2022 11:15Природа гравитации должна объяснять, в результате какого процесса материя икривляет пространство-время. То есть какое взаимодействие материи и физического вакуума приводит к искривлению геометрической сетки пространства в сторону материи и к замедлению времени (других физических процессов) вблизи материи.
Она раскрывается на раз-два. Все согласны, что космос - это вакуум, и что Земля в нём находится. В каком состоянии относительно Земли должен быть вакуум, чтобы связать его свойства и поведение с гравитацией? Только в состоянии свободного падения - расширения из космоса в материю Земли. Проверка: неподвижное относительно вакуума тело находится в невесомости, но при этом ускоренно падает на Землюю. И тело приобретает вес, когда оно неподвижно относительно Земли, и сквозь него с ускорением проходит вакуум.
Отсюда следует объяснение эквивалентности инертной и гравитационной массы: эквивалентны взаимодействия материи и вакуума. Что материя ускоряется сквозь неподвижный вакуум, что вакуум ускоряется сквозь неподвижную материю - весы реагируют одинаково.
Итак, искривление геометрической сетки пространства в сторону материи объясняется ускоренным потоком вакуума в материю. Это как искривление рыбацкой сети течением воды. А замедление времени вблизи материи объясняется причиной этого движения - снижением плотности энергии вакуума материей. Только механизм снижения здесь другой, не как в эффекте Казимира, но с тем же следствием: более плотный внешний вакуум расширяется в сторону менее плотного вакуума. Можно предположить, что кванты материи/энергии (фотоны) постоянно ликвидируют кванты вакуума, и их остатки выходят в особое измерение (откуда вообще появились все кванты нашей Вселенной).
С таким поглотительным механизмом гравитации ненужна тёмная материя. Высокая и неубывающая скорость звёзд в галактиках объясняется дополнительным центростремительным ускорением, которое сообщает им вакуум, расширящийся из межгалактического пространства в материю галактик. Более протяжённый вакуум между кластерами даёт больший прирост, и он не успевает весь поглотиться их материей, поэтому раздвигает кластеры, как это и наблюдается. Быстрое комкование первичной материи тоже объясняется этим механизмом. И он годится для разработки теории квантовой гравитации.
Неубывающая плотность энергии расширящегося вакуума можно объяснить постоянным и повсеместным поступлением в него новых квантов вакуума из пятого (масштабного) измерения. Это как новые растения ряски поступают в её ковёр на воде и вызывают его расширение.
-
Yermack
15.12.2022 15:18+1Если вкратце, воспринимайте термин "темная энергия" как синоним к "наблюдаемое расширение вселенной" у которого могут быть разные причины (вакуумные флуктуации в том числе). Если не вкратце, можете почитать статью здесь на хабре https://habr.com/ru/company/ruvds/blog/651763/
Tarakanator
16.12.2022 10:481)Правильно говорить не тёмная материя, а тёмное вещество. Это более правильный перевод "dark matter"
2)представьте аналогию газа и жидкости в нормальных условиях. Газ вы не можете собрать в кучку в бытовых условиях. Он везде распределён равномерно. А воду теоретически можете ковшиком, но ковшика нет.
Вот и с тёмной энергией так-же. Совершенно непонятно как можно её собрать в одном месте. А тёмное вещество ТЕОРЕТИЧЕСКИ собрать можно. Только ковшика для этого нет.
Sun-ami
Самое интересное — есть ли в этих данных чёткое указание на квадриупольную анизотропию постоянной Хаббла, предсказанную Горькавым в его гипотезе пульсирующей Вселенной? И если есть — совпадает ли направление на центр Вселенной с указанным Горькавым?
Sem8
Для меня вселённая представляются как кинескоп старых советских телевизоров. Включил произошел большой взрыв появляется множество миров из ниоткуда. Черные дыры это точки подпитки энергией!
Metotron0
Если её нужно подпитывать, значит она куда-то эту энергию тратит? Или имеется в виду, что из-за расширения средняя плотность энергии падает? Как же чёрные дыры что-то подпитывают, если они ничего не излучают, окромя излучения Хокинга, которое не совсем их излучение?