Всматриваясь в этот мрак, я долгое время стоял, изумленный, полный страха и сомнения, грезя такими грезами, какими не дерзал ни один смертный
— Эдгар Аллан По
В 2011 году нобелевская премия по физике была присуждена троим учёным за открытие ускоренного расширения Вселенной.
Каков физический смысл этого явления?
Если бы во Вселенной случилось некое изначальное расширение, сопровождаемое всеобщим гравитационным притягиванием, можно было бы ожидать, что чем дальше от вас удалялся объект, тем меньше становилась бы его скорость убегания.
При достаточном количестве материи расширение должно было проиграть гравитации, и все объекты, удаляющиеся от нас сегодня, поменяли бы своё направление движения и начали бы двигаться в нашу сторону.
А если бы её не было достаточно, то победило бы расширение, и удаляющиеся объекты замедлялись бы, но всё равно продолжали бы убегать от нас целую вечность.
Но если расширение ускоряется, то всё становится немного сложнее.
Вместо трёх изображённых на графике случаев ускорения (когда ? > 0, и скорость убегания любой галактики со временем уменьшается), или даже в случае пустой Вселенной (? = 0, и скорость убегания остаётся постоянной), во Вселенной с ускоряющимся расширением скорость убегания галактик со временем растёт!
До 1990-х предполагалось, что расширение Вселенной замедляется, и что для понимания как истории, так и судьбы Вселенной, необходимо было сделать два важных измерения.
Первое – Ho, значение постоянной Хаббла на сегодня. Если галактика находится на определённом расстоянии от нас, она должна убегать от нас с определённой скоростью, определяемой законом Хаббла. Для сравнительно близких объектов (галактик, находящихся не далее, чем в миллиарде световых лет от нас), ускоряющаяся, замедляющаяся или пустая Вселенная выглядят одинаково.
Второе важное измерение, qo, параметр замедления, говорит нам о том, ускоряется или замедляется Вселенная, и он очень чувствителен по отношению к движению удалённых объектов. На картинке выше у самой нижней линии qo = +?, у средней qo ? +0,1, а у верхней – лучше всех соответствующей положению дел в реальной Вселенной – qo ? -0,6. Обычно я предпочитаю не упоминать точных значений, но это важно, поэтому просто запомните, что лучше всего к нашей Вселенной подходит параметр qo ? -0,6.
Отрицательное значение говорит о том, что Вселенная не замедляется, а ускоряет своё расширение! И мы узнали об этом, наблюдая за этими яркими, хорошо известными объектами, заметными на больших расстояниях: сверхновыми!
В прошлом было сделано много попыток объяснить наблюдения чем-то другим вместо ускоренного расширения, и я написал много статей, подробно описывающих то, как они провалились.
Но недавно появилась новая идея, получившая некоторую огласку: нечто под названием «тёмный поток» может приводить к видимости ускоренного расширения!
Космолог Кристос Цагас [Christos Tsagas] завершил работу, продолжающую одну из предыдущих работ, подмечающую кое-что очень хитрое.
Закон Хаббла – отношение между видимой скоростью убегания объекта и расстоянием до него – в среднем выполняется, но плохо предсказывает скорость какого-то конкретного объекта.
Каждый объект, будучи захваченным всеобщим расширением Вселенной, также подвергается локальной гравитации, добавляющей дополнительное движение поверх хаббловского расширения, известное, как пекулярная скорость. Неудивительно, что мы это не только наблюдаем, но и получаем в предсказаниях различных симуляций.
Многократно измерено, что относительно однородной температурной поверхности реликтового излучения наша галактика имеет пекулярную скорость в 627 км/с, что довольно много: 2,3 млн км в час! (Mдипольная анизотропия).
Этот диполь не точно описывает нашу пекулярную скорость. Они должны быть связаны, но поскольку Земля вращается вокруг Солнца, Солнце – вокруг Галактики, а на Галактику действуют все остальные галактики, это пекулярное движение со временем меняется.
Мы подсчитали пекулярные скорости множества объектов по соседству с нами. И мы обнаружили, что не только многие из них группируются в небольшие, совместно движущиеся группы, но и такое совместное нехаотичное движение, названное тёмным потоком, существует и на масштабах в сотни миллионов световых лет!
И тут появляется Цагас со своей хитроумной идеей. Он обнаружил, что если вы двигаетесь относительно покоящегося реликтового излучения, это относительное движение приводит к тому, что в вашем местном регионе космоса скорость расширения отличается от общей скорости расширения Вселенной!
Этот эффект сильнее всего сказывается на близлежащей Вселенной, поскольку при переходе на всё большие масштабы ваша пекулярная скорость, будь она хоть тысячи километров в секунду, в итоге окажется пренебрежимо малой по сравнению с хаббловским расширением.
Теперь вспомним, что лучше всего к данным подходит модель с параметром замедления qo ? -0,6, хотя в самые ранние времена – когда тёмная материя не имела решающего значения – во Вселенной доминировала материя, и величина параметра замедления составляла qo ? +?.
Главный вопрос в том, может ли модель Цагаса объяснить космологические данные по сверхновым, которые объясняет тёмная энергия. И в его пользу можно отнести то, что он честно освещает свои результаты и то, как они ведут себя по сравнению с общепринятой космологией.
Ответ: не может. Его модель выдаёт параметр замедления не менее qo ? -0,3. И этот параметр довольно быстро стремится к нулю, и затем становится небольшим и положительным (но гораздо меньшим, чем qo ? +?, предсказанным стандартной моделью ?CDM) до z = 0,3. И мне кажется, что это будет большой проблемой на промежуточных красных смещениях, которые лучше всего поддерживают модель тёмной энергии.
Я взял лучшие из доступных данных по сверхновым, несколько моделей, включая тёмную энергию, пустую вселенную и другие (с сайта Неда Райта), и попытался сопоставить их с моими расчётами по модели Цагаса.
Выставляю отличные оценки модели Цагаса за выраженный, хотя и недостаточный, ранний подъём кривой, ведь она достигает этого безо всякой тёмной энергии или полей отрицательного давления! Но низкая плотность игрушечной вселенной Цагаса даёт предсказания, слишком близкие к «пустой вселенной», модели, не соответствующей сверхновым промежуточного красного смещения.
Так что это забавная игрушка, и её возможность выдавать положительное ускорение впечатляет, но вряд ли она заменит тёмную энергию. Но мне всегда интересно изучать альтернативы, и каждый раз после этого я ещё больше убеждаюсь в том, каким впечатляющим выглядит подтверждение теории тёмной энергии!
Комментарии (21)
RusikR2D2
13.12.2016 14:28+1на правах «бреда» по аналогии с жизненным циклом звезд
Если, скажем, предположить, что есть несколько (много) «вселенных» «рядом», расширяющиеся из своих центров. И чем сильнее они расширяются, тем сильнее действуют друг на друга (их «наружные» части сближаются и начинают притягиваться, увеличивая ускорение)), что приводит вселенные к расширению с ускорением. В дальнейшем, взаимодействующие части расширенных вселенных образуют центры притяжения, в которые стянутся все «остатки», сожмутся и создадут снова расширяющиеся вселенные (после Больших «Взрывов»)
Zergos_Z
13.12.2016 14:48Есть еще вероятность того, что темная материя не что иное, как гравитационное воздействие галактики(или другого скопления материи), находящейся в другом измерении.
Zergos_Z
13.12.2016 14:55+1Идея интересная, но тогда бы образовывались некие сгустки материи. Одни были-бы разных размеров, и соответственно расширение было-бы неравномерным.
RusikR2D2
13.12.2016 15:10Так вроде бы вселенная и так неравномерно расширяется. а всяких «сгустков» и так полно — сверхскопления галактик.
choupa
13.12.2016 21:05Тут требуется уточнить, что вы называете вселенными. Я под другими вселенными понимаю материю (хотя они могут быть и пустыми) и метрику, достаточно изолированную топологически от нашей вселенной. Это могут быть как топологически несвязные с нами вселенные, так и связанные с нами гипотетическими кротовыми норами или как-то иначе.
В любом случае гравитация распространяется по пространству-времени, но никак не вне его. Вы же мысленно пытаетесь вложить вселенные в пространство большей размерности и рассуждаете, что они друг у другу притягиваются. Это наивное представление приближающихся к друг другу надувающихся шариков не согласуется с фактами.
Поясню. В случае 4-мерных вселенных ваша модель должна оперировать с большими (несвёрнутыми) дополнительными измерениями. А их нет, т.к. гравитация «утекала» бы в них, и закон обратных квадратов тяготения Ньютона, был бы законом обратных кубов или других степеней.
Если же нет вообще дополнительных измерений, то тем не менее могут существовать почти несвязанные 4-вселенные и только в 4-х измерениях. Но тогда понятие близко или далеко ли они расположены друг от друга теряется смысл. Сложно объяснить, но для понятия близко-далеко нужны доп. измерения, о чём я и толкую выше.
Однако всё-таки есть возможность существования параллельных вселенных, с которыми мы взаимодействуем гравитационно. Но в этом случае такие вселенные отделены друг от друга компактным (коротким, имеющим начало и конец) измерением, чтобы гравитация в него не «утекала». Вернее, такая утечка есть, но она приводит к отклонению от закона обратных квадратов только на масштабах длины этого измерения. Такие параллельные вселенные хорошо представлять двумя листами, разделёнными маа-а-аленьким зазором. Такие вселенные могут оказывать влияние друг на друга.
Есть теории, что таких вселенных целая прорва, и каждой из них реализуется свой ход квантовых событий.
Подчеркну, что это всё гипотетические измышления, которые пока проверить нельзя, хотя и не противоречат имеющимся фактам.
Krypt
14.12.2016 09:12Насколько я понял, RusikR2D2 имел ввиду, что одновременно происходят множество больших взрывов в одной вселенной, на достаточно большом расстоянии, чтобы зоны расширения пока не пересеклись, но на достаточно малом, чтобы они могли взаимодействовать друг с другом через гравитацию. Возможна ли такая ситуация?
choupa
14.12.2016 10:49+1Большой взрыв в отличие от обычного взрыва связан с расширением пространства. Материя даже не самое важное при этом. То, что имеете в виду вы, это не «большие взрывы», а просто взрывы, скажем так, доменов вещества. Оно, конечно, будут взаимодействовать гравитационно. Я так понимаю, Тёмный поток, возможно, чем-то таким и обусловлен, либо крупномасштабными дефектами ранней вселенной, оказавшимся теперь больше размеров метагалактики.
kauri_39
16.12.2016 23:23А Вы не думали о том, что дополнительное «свёрнутое» для нас 5 измерение было бы полезно для объяснения природы гравитации? Я тут много писал об этом и о природе тёмной энергии, почитайте.
Тёмный поток, полагаю, можно воспринимать как следствие асимметричного расширения нашего объёма Хаббла, удаляющегося от центра Вселенной. Из-за этого нам будет казаться, что скопления галактик в одной части объёма удаляются от нас медленнее, а в противоположной части — быстрее. Где удаляются быстрее — в том направлении и летит объём.
Arcanum7
13.12.2016 15:11+1Применима ли аналогия с каплей чего-то быстрорастворимого в воде?
Бросил кусок сахара в чай — сахар растворяется с всё большей скоростью. Потомучто сахар пропитался горячим чаем и только потом распался на отдельные кусочки, а затем и вовсе «исчез», но изменив свойство чая — сделав его сладким.
Может наша Вселенная медленно и верно растворяется в чём-то большем? Тёмная материя повсюду во Вселенной — пропитывающий чай в сахаре?Arcanum7
13.12.2016 15:56+2Сам написал и сам потом понял что глупость сморозил — Диффузия Вселенной!
Ну что за бред…
Хотя если думать дальше то получается:
Если бы Вселенная «растворялась» в Абсолютной Пустоте — тогда бы скорость «растворения» бы падала, да и само «растворение» было бы равномерно во всех измерениях.
Если же «растворение» неравномерно и увеличивает скорость во времени, то получается что идёт некое «химическое» взаимодействие на уровне базовых(наимельчайших) свойств того что мы привыкли называть Материей и Абсолютной Пустотой. Но получается противоречие. Значит Пустота не пуста.
(пошёл дальше искать работу)hdfan2
14.12.2016 13:53Сначала просто кинули
кусочек сахараВселенную в тёмную материю. Смотрят — плоховато растворяется, начали ложкой размешивать. Вот отсюда и ускорение возникло.Robotex
14.12.2016 16:40Я буду сильно смеяться, если вдруг окажется, что такая модель лучше соответствует нашей Вселенной, чем ОТО, и следующие 100 лет мы будем считать, что наша Вселенная это кусок сахара в чьей-то чашке.
funca
14.12.2016 23:38Мне нравится такая модель. В принципе, любое описание Вселенной, каким-либо образом выраженное, так же является частью нашей Вселенной — мы по другому не умеем. Не возможно в полной мере описать что-то большое и сложное чем-то более маленьким и простым. Т.е. точного и полного описания Вселенной мы не получим ни когда, а будем довольствоваться лишь приблизительными абстракциями, которые приблизительно описывают какие-то отдельные аспекты. Что это за абстракции: кусочки сахара или темная материя, — какая разница, лишь бы в них была хоть какая-то практическая польза. Вот просто развеселить, тоже бывает полезно. :)
Arcanum7
15.12.2016 09:34При дальнейшем размышлении есть два пути у этой модели:
бесконечное растворение до «гомеопатических» значений (сам поржал с этого, но аналогия уж больно сюда просится), а значит что расширение будет только ускоряться:
либо достижение «предельной концентрации» а значит что скоро всё придёт в равновесное состояние.Robotex
15.12.2016 13:15А почему темная материя находится вокруг галактик, а не внутри? Может тут наоборот кристаллизация происходит?
Rayman2u
13.12.2016 17:35Есть также аналогичное объяснение красного смещения реликтового излучения: поперечный эффект Доплера (или релятивистский эффект Доплера). То есть, может быть, Вселенная имеет спиральную структуру и момент вращения, который и приводит к подобным результатам.
Я не очень сведущий в физике, но теория кажется не надуманной, основанной на реальных эффектах, и без выдумывания темной энергии.
stalinets
17.12.2016 23:33А у меня такие вот мысли.
Представьте, что у нас есть лужа средних размеров (Вселенная), по поверхности которой плавают мелкие листья (галактики и их скопления).
Если мы вольём в эту лужу ведро воды, что будет? Поначалу средняя скорость движения листьев будет высокая, т.к. в толще воды по инерции будут двигаться потоки и течения, увлекая листья.
Потом скорость снизится, вплоть до успокоения воды.
Но! Это ведь только средняя скорость.
По факту мы будем наблюдать, что в одном углу лужи листья на воде уже почти не двигаются. А в другом углу лужи как-то так сошлись волны и течения, что образовался водоворотик или краткосрочный поток воды, который вдруг бодро закружил несколько листочков.
Может быть, та часть Вселенной, что мы наблюдаем, всего лишь попала в такой же «водоворотик» из суперпозиции гравитационных полей, поэтому мы видим расширение с ускорением, а на самом деле в бОльших масштабах (которые мы наблюдать не можем по причине конечности скорости света) Вселенная всё же расширяется с замедлением (или вообще ведёт себя как-то иначе).kauri_39
19.12.2016 13:35Откуда взялось ведро воды для лужи?
Понимаю, странный вопрос, когда не известно, откуда взялась вода для самой лужи. Но тогда, если игнорировать (пока) эти вопросы, можно предположить, что вода в виде капелек сверху постоянно и повсеместно поступает в лужу, вызывая её расширение.
Примерно так действует тёмная энергия вакуума. Объём Вселенной увеличивается, а энергетическая плотность вакуума остаётся почти постоянной, способной противодействовать тормозящей силе гравитации.
На больших площадях между листьями прибыль воды больше, поэтому расширение этих площадей идёт с большей скоростью. Это приводит к сближению листьев в кучки — галактики собираются в скопления.
И вообще наша лужа разместилась на немного наклонной плоскости. Она течёт со всеми своими листьями — так наблюдается тёмный поток. Точнее, наша лужа — часть гораздо большей лужи, растекающейся во все стороны с небольшой возвышенности, её центра.
Данная аналогия имеет пределы своей применимости. В ней можно смоделировать и гравитацию, но не всякое воображение сможет это может осилить.
Zergos_Z
Мне интересен такой момент: увеличивается ли расстояние между звездами в галактике? Или только расстояние между галактиками?
Nathanson
Только между галактиками, и то не между всеми. Если две галактики достаточно близки друг к другу, то гравитация тут пересилит расширение пространства и галактики сольются в одну. А уж звезды в самой галактике еще сильнее связаны гравитацией.
hdfan2
Это, как я понимаю, сейчас. Со временем, если расширение действительно ускоряется, то оно постепенно превзойдёт гравитацию, а потом и остальные взаимодействия (см. «Большой разрыв»). Но это будет ещё очень нескоро.