Темная энергия - Dark energy

Не путать с Темной жидкостью , Темным потоком или Темной материей .
Часть серии о
Физическая космология
Изображение полного неба, полученное по данным космического корабля Planck
Ранняя вселенная
Фоны
Расширение  · Будущее
Компоненты  · Структура
Компоненты
Состав
Эксперименты
Ученые
История темы

В физической космологии и астрономии , темная энергия является неизвестной формой энергии , которая влияет на Вселенную на самых больших масштабах . Первые наблюдательные доказательства его существования были получены в результате измерений сверхновых , которые показали, что Вселенная не расширяется с постоянной скоростью; скорее, расширение Вселенной является ускорение . Понимание эволюции Вселенной требует знания ее начальных условий и ее состава. До этих наблюдений считалось, что все формы материи и энергии во Вселенной только замедлят расширение со временем. Измерения космического микроволнового фона предполагают, что Вселенная началась с горячего Большого взрыва , которым общая теория относительности объясняет ее эволюцию и последующее крупномасштабное движение. Без введения новой формы энергии невозможно было объяснить, как можно измерить ускоряющуюся Вселенную. С 1990-х годов темная энергия была наиболее распространенной предпосылкой ускоренного расширения. С 2021 года есть активные области космологических исследований, направленных на понимание фундаментальной природы темной энергии.

Если предположить, что космологическая модель лямбда-CDM верна, лучшие текущие измерения показывают, что темная энергия составляет 68% от общей энергии в современной наблюдаемой Вселенной . Масса – энергия темной материи и обычной (барионной) материи дает 26% и 5%, соответственно, а другие компоненты, такие как нейтрино и фотоны, вносят очень небольшую долю. Плотность темной энергии очень мала (~ 7 × 10 -30  г / см 3 ), намного меньше, чем плотность обычной материи или темной материи внутри галактик. Однако он доминирует над массой-энергией Вселенной, потому что он однороден в пространстве.

Две предложенные формы темной энергии - это космологическая постоянная , представляющая постоянную плотность энергии, однородно заполняющую пространство, и скалярные поля, такие как квинтэссенция или модули , динамические величины, имеющие плотности энергии, которые могут изменяться во времени и пространстве. Вклады скалярных полей, постоянных в пространстве, обычно также включаются в космологическую постоянную. Космологическую постоянную можно сформулировать как эквивалент нулевого излучения пространства, то есть энергии вакуума . Скалярные поля, которые изменяются в пространстве, может быть трудно отличить от космологической постоянной, потому что изменение может быть чрезвычайно медленным.

Из-за игрушечной модельной природы конкордантной космологии некоторые эксперты полагают, что более точная общая релятивистская трактовка структур, существующих на всех масштабах в реальной Вселенной, может избавить от необходимости задействовать темную энергию. Неоднородные космологии , которые пытаются объяснить обратную реакцию формирования структуры на метрику , обычно не признают какой-либо вклад темной энергии в плотность энергии Вселенной.

История открытия и предыдущие предположения

Космологическая постоянная Эйнштейна

« Космологический » является постоянным термин , который может быть добавлен в поле уравнения Эйнштейна в ОТО . Если рассматривать его как «исходный член» в уравнении поля, его можно рассматривать как эквивалент массы пустого пространства (который концептуально может быть как положительным, так и отрицательным) или « энергии вакуума ».

Космологическая постоянная была впервые предложена Эйнштейном в качестве механизма для получения решения уравнения гравитационного поля , которое привело бы к статической Вселенной, эффективно используя темную энергию для уравновешивания гравитации. Эйнштейн дал космологической постоянной символ Λ (заглавная лямбда). Эйнштейн заявил, что космологическая постоянная требует, чтобы «пустое пространство играло роль гравитирующих отрицательных масс, которые распределены по всему межзвездному пространству».

Этот механизм был примером тонкой настройки , и позже стало понятно, что статическая Вселенная Эйнштейна не будет стабильной: локальные неоднородности в конечном итоге приведут либо к безудержному расширению, либо к сжатию Вселенной. Равновесие неустойчиво: если Вселенная слегка расширяется, затем высвобождает энергию вакуума расширения, что приводит к еще большую экспансию. Точно так же вселенная, которая слегка сжимается, будет продолжать сжиматься. Подобные возмущения неизбежны из-за неравномерного распределения материи во Вселенной. Кроме того, наблюдения, сделанные Эдвином Хабблом в 1929 году, показали, что Вселенная расширяется, а вовсе не статична. Сообщается, что Эйнштейн назвал свою неспособность предсказать идею динамической Вселенной в отличие от статической Вселенной своей величайшей ошибкой.

Инфляционная темная энергия

Алан Гут и Алексей Старобинский в 1980 году предположили, что поле отрицательного давления, по концепции схожее с темной энергией, могло вызвать космическую инфляцию в очень ранней Вселенной. Инфляция предполагает, что некоторая сила отталкивания, качественно подобная темной энергии, привела к огромному экспоненциальному расширению Вселенной вскоре после Большого взрыва . Такое расширение - существенная черта большинства современных моделей Большого взрыва. Однако инфляция должна была произойти при гораздо более высокой плотности энергии, чем темная энергия, которую мы наблюдаем сегодня, и считается, что она полностью прекратилась, когда Вселенная была лишь на долю секунды. Неясно, какая связь существует между темной энергией и инфляцией, если таковая существует. Даже после того, как были приняты инфляционные модели, считалось, что космологическая постоянная не имеет отношения к современной Вселенной.

Почти все модели инфляции предсказывают, что полная (материя + энергия) плотность Вселенной должна быть очень близка к критической плотности . В течение 1980-х годов большинство космологических исследований было сосредоточено на моделях с критической плотностью только в материи, обычно 95% холодной темной материи (CDM) и 5% обычной материи (барионы). Было обнаружено, что эти модели успешно формируют реалистичные галактики и скопления, но в конце 1980-х годов возникли некоторые проблемы: в частности, для модели требовалось значение постоянной Хаббла ниже, чем предпочитают наблюдения, а модель недооценивала наблюдения больших -масштабная кластеризация галактик. Эти трудности стали сильнее после открытия анизотропии в космическом микроволновом фоне по COBE космических аппаратов в 1992 году, и несколько модифицированных моделей CDM пришли при активном исследовании до середины 1990-х годов: они включали в себя модель Лямбда-CDM и смешанной холодной / горячей темный модель материи. Первые прямые доказательства темной энергии пришли из наблюдений сверхновых в 1998 годе ускоренного расширения в Риссе и др. и в Perlmutter et al. , а затем модель Lambda-CDM стала ведущей моделью. Вскоре после этого темная энергия была подтверждена независимыми наблюдениями: в 2000 году в экспериментах с космическим микроволновым фоном (CMB) BOOMERanG и Maxima был обнаружен первый акустический пик в CMB, показывающий, что полная (материя + энергия) плотность близка к 100% от критическая плотность. Затем, в 2001 году, обзор красного смещения галактик 2dF дал убедительные доказательства того, что плотность вещества составляет около 30% от критической. Большая разница между этими двумя поддерживает плавный компонент темной энергии, составляющий разницу. Более точные измерения WMAP в 2003–2010 гг. Продолжали поддерживать стандартную модель и давать более точные измерения ключевых параметров.

Термин «темная энергия», перекликающийся с «темной материей» Фрица Цвикки из 1930-х годов, был введен Майклом Тернером в 1998 году.

Изменения в расширении с течением времени

Диаграмма, показывающая ускоренное расширение Вселенной из-за темной энергии.

Чтобы понять, как скорость расширения изменяется во времени и пространстве, необходимы высокоточные измерения расширения Вселенной . В общей теории относительности эволюция скорости расширения оценивается по кривизне Вселенной и космологическому уравнению состояния (соотношение между температурой, давлением и объединенной материей, энергией и плотностью энергии вакуума для любой области пространства). Измерение уравнения состояния темной энергии сегодня является одним из крупнейших направлений наблюдательной космологии. Добавление космологической постоянной к стандартной космологической метрике FLRW приводит к модели лямбда-CDM, которую называют « стандартной моделью космологии » из-за ее точного согласия с наблюдениями.

По состоянию на 2013 год модель Lambda-CDM согласуется с рядом все более строгих космологических наблюдений, включая космический корабль Planck и Обзор наследия сверхновых звезд. Первые результаты SNLS показывают, что среднее поведение (т.е. уравнение состояния) темной энергии ведет себя как космологическая постоянная Эйнштейна с точностью до 10%. Недавние результаты команды космического телескопа Хаббла Higher-Z показывают, что темная энергия присутствует как минимум 9 миллиардов лет и в течение периода, предшествующего космическому ускорению.

Природа

Природа темной энергии более гипотетична, чем природа темной материи, и многое о ней остается в сфере предположений. Считается, что темная энергия очень однородна и не очень плотна , и, как известно, не взаимодействует через какие-либо фундаментальные силы, кроме гравитации . Поскольку он довольно разреженный и немассивный - примерно 10 −27  кг / м 3 - его вряд ли можно будет обнаружить в лабораторных экспериментах. Причина, по которой темная энергия может оказывать такое сильное влияние на Вселенную, составляя 68% универсальной плотности, несмотря на то, что она настолько разбавлена, заключается в том, что она равномерно заполняет пустое пространство.

Независимо от фактического характера, темная энергия необходимо будет иметь сильное негативное давление , чтобы объяснить наблюдаемое ускорение в расширении Вселенной . Согласно общей теории относительности, давление внутри вещества способствует его гравитационному притяжению к другим объектам, так же как и его плотность массы. Это происходит потому, что физическая величина, которая заставляет материю генерировать гравитационные эффекты, - это тензор энергии-импульса , который содержит как плотность энергии (или вещества) вещества, так и его давление. В метрике Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера можно показать, что сильное постоянное отрицательное давление ( т. Е. Напряжение) во всей Вселенной вызывает ускорение расширения, если Вселенная уже расширяется, или замедление сжатия, если Вселенная уже сжимается. Этот эффект ускоренного расширения иногда называют «гравитационным отталкиванием».

Техническое определение

Смотрите также: уравнения Фридмана

В стандартной космологии есть три компонента Вселенной: материя, излучение и темная энергия. Дело ничего, плотность энергии которого весы с обратной кубой масштабного коэффициента, то есть, р  & alpha  ; -3 , а излучение ничего , что чешуйки к обратной четвертой степени масштабного коэффициента ( р  & alpha  ; -4 ). Это можно понять интуитивно: для обычной частицы в кубическом ящике удвоение длины края ящика снижает плотность (и, следовательно, плотность энергии) в восемь раз (2 3 ). Для излучения уменьшение плотности энергии больше, потому что увеличение пространственного расстояния также вызывает красное смещение.

Последний компонент - темная энергия; «темная энергия» - это все, что по своему действию является внутренним свойством пространства: оно имеет постоянную плотность энергии, независимо от размеров рассматриваемого объема ( ρ  ∝  a 0 ). Таким образом, в отличие от обычной материи, она не разбавляется расширением пространства.

Доказательства существования

Доказательства темной энергии косвенные, но исходят из трех независимых источников:

  • Измерения расстояний и их связь с красным смещением, которые предполагают, что Вселенная расширилась больше во второй половине своей жизни.
  • Теоретическая потребность в типе дополнительной энергии, которая не является материей или темной материей, для формирования плоской Вселенной (отсутствие какой-либо обнаруживаемой глобальной кривизны).
  • Меры крупномасштабных волновых структур плотности массы во Вселенной.

Сверхновые

Сверхновая типа Ia (яркое пятно в нижнем левом углу) рядом с галактикой

В 1998 году High-Z Supernova Search Team опубликовал наблюдения типа Ia ( "один-А") сверхновых . В 1999 году в рамках проекта «Космология сверхновых» было высказано предположение, что расширение Вселенной ускоряется . Нобелевская премия по физике 2011 г. была присуждена Саулу Перлмуттеру , Брайану П. Шмидту и Адаму Г. Риссу за их лидерство в открытии.

С тех пор эти наблюдения были подтверждены несколькими независимыми источниками. Измерения космического микроволнового фона , гравитационного линзирования и крупномасштабной структуры космоса , а также улучшенные измерения сверхновых были согласованы с моделью Lambda-CDM. Некоторые люди утверждают, что единственными признаками существования темной энергии являются измерения расстояний и связанных с ними красных смещений. Анизотропия космического микроволнового фона и барионные акустические колебания служат только для демонстрации того, что расстояния до данного красного смещения больше, чем можно было бы ожидать от "пыльной" Вселенной Фридмана – Леметра и локальной измеренной постоянной Хаббла.

Сверхновые полезны для космологии, потому что они являются отличными стандартными свечами для космологических расстояний. Они позволяют исследователям измерить историю расширения Вселенной, глядя на взаимосвязь между расстоянием до объекта и его красным смещением , которое показывает, насколько быстро он удаляется от нас. В соответствии с законом Хаббла зависимость примерно линейна . Красное смещение относительно легко измерить, но определить расстояние до объекта сложнее. Обычно астрономы используют стандартные свечи: объекты, для которых известна внутренняя яркость или абсолютная величина . Это позволяет измерить расстояние до объекта по его фактической наблюдаемой яркости или видимой величине . Сверхновые типа Ia - самые известные стандартные свечи на космологических расстояниях из-за их экстремальной и постоянной светимости .

Недавние наблюдения сверхновых согласуются с тем, что Вселенная состоит на 71,3% из темной энергии и на 27,4% из комбинации темной материи и барионной материи .

Космический микроволновый фон

Расчетное разделение общей энергии Вселенной на материю, темную материю и темную энергию на основе пятилетних данных WMAP.

Существование темной энергии в любой форме необходимо для согласования измеренной геометрии пространства с общим количеством материи во Вселенной. Измерения анизотропии космического микроволнового фона (CMB) показывают, что Вселенная близка к плоской . Чтобы форма Вселенной была плоской, плотность массы – энергии Вселенной должна быть равна критической плотности . Общее количество материи во Вселенной (включая барионы и темную материю ), измеренное по спектру реликтового излучения, составляет лишь около 30% критической плотности. Это подразумевает наличие дополнительной формы энергии, которая составляет оставшиеся 70%. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) космического аппарата семь лет анализ оценивал вселенную, состоящую из 72,8% энергии темной, 22,7% темной материи, и 4,5% обычного вещества. Работа, выполненная в 2013 году на основе наблюдений реликтового излучения космическим аппаратом Planck, дала более точную оценку 68,3% темной энергии, 26,8% темной материи и 4,9% обычной материи.

Крупномасштабная конструкция

Теория крупномасштабной структуры , которая регулирует формирование структур во Вселенной ( звезд , квазаров , галактик и групп галактик и скоплений ), также свидетельствует о том , что плотность материи во Вселенной составляет только 30% от критической плотности.

Обзор галактик WiggleZ 2011 года, охватывающий более 200000 галактик, предоставил дополнительные доказательства существования темной энергии, хотя точная физика, стоящая за ней, остается неизвестной. Обзор WiggleZ Австралийской астрономической обсерватории сканировал галактики, чтобы определить их красное смещение. Затем, используя тот факт, что барионные акустические колебания регулярно оставляют пустоты диаметром ≈150 Мпк, окруженные галактиками, пустоты использовались в качестве стандартных линейок для оценки расстояний до галактик до 2000 Мпк (красное смещение 0,6), что позволило получить точные данные. оценка скорости галактик по их красному смещению и расстоянию. Эти данные подтвердили космическое ускорение до половины возраста Вселенной (7 миллиардов лет) и ограничили ее неоднородность до 1 части из 10. Это является подтверждением того, что космическое ускорение не зависит от сверхновых.

Поздний интегрированный эффект Сакса – Вульфа

Ускоренное космическое расширение приводит к сглаживанию гравитационных потенциальных ям и холмов по мере прохождения фотонов через них, создавая холодные и горячие точки на реликтовом излучении, выровненных с огромными суперпустыми и сверхскоплениями. Этот так называемый интегрированный эффект Сакса – Вульфа позднего времени (ISW) является прямым сигналом темной энергии в плоской Вселенной. Об этом сообщалось как о высокой значимости в 2008 году Ho et al. и Giannantonio et al.

Наблюдательные данные постоянной Хаббла

Новый подход к проверке свидетельств темной энергии с помощью данных наблюдений за постоянной Хаббла (OHD) привлек значительное внимание в последние годы.

Постоянная Хаббла H ( z ) измеряется как функция космологического красного смещения . OHD непосредственно отслеживает историю расширения Вселенной, принимая пассивно эволюционирующие галактики ранних типов как «космические хронометры». С этого момента этот подход обеспечивает стандартные часы во Вселенной. Суть этой идеи - измерение возрастной эволюции как функции красного смещения этих космических хронометров. Таким образом, он дает прямую оценку параметра Хаббла.

Опора на дифференциальную величину, Δ z/Δ t, приносит больше информации и удобен для вычислений: он может свести к минимуму многие общие проблемы и систематические эффекты. Анализ сверхновых и барионных акустических колебаний (BAO) основан на интегралах от параметра Хаббла, тогда какΔ z/Δ t измеряет его напрямую. По этим причинам этот метод широко используется для изучения ускоренного космического расширения и изучения свойств темной энергии.

Прямое наблюдение

Попытка непосредственно наблюдать темную энергию в лаборатории не смогла обнаружить новую силу. Недавно было высказано предположение, что необъяснимый в настоящее время избыток, наблюдаемый в детекторе XENON1T в Италии, мог быть вызван хамелеонной моделью темной энергии.

Теории темной энергии

Статус темной энергии как гипотетической силы с неизвестными свойствами делает ее очень активной целью исследований. Проблема решается с самых разных сторон, таких как изменение преобладающей теории гравитации (общая теория относительности), попытки определить свойства темной энергии и поиск альтернативных способов объяснения данных наблюдений.

Уравнение состояния темной энергии для 4-х общих моделей от Redshift.
A: модель CPL,
B: модель Jassal,
C: модель Barboza & Alcaniz,
D: модель Веттериха

Космологическая постоянная

Основная статья: Космологическая постоянная
Дополнительная информация: Уравнение состояния (космология)
Расчетное распределение материи и энергии во Вселенной

Самое простое объяснение темной энергии состоит в том, что это внутренняя, фундаментальная энергия пространства. Это космологическая постоянная, обычно обозначаемая греческой буквой Λ («Лямбда», отсюда « Лямбда-CDM-модель» ). Поскольку энергия и масса связаны в соответствии с уравнением E = MC 2 , теория Эйнштейна общей теории относительности предсказывает , что эта энергия будет иметь гравитационный эффект. Иногда ее называют энергией вакуума, потому что это плотность энергии пустого пространства - вакуума .

Основная нерешенная проблема заключается в том, что те же квантовые теории поля предсказывают огромную космологическую постоянную , примерно на 120  порядков больше . Это должно быть почти, но не точно, отменено таким же большим членом противоположного знака.

Некоторые суперсимметричные теории требуют, чтобы космологическая постоянная была точно равна нулю. Кроме того, неизвестно, существует ли в теории струн метастабильное состояние вакуума с положительной космологической постоянной, и это было предположено Ульфом Даниэльссоном и др. что такого государства не существует. Эта гипотеза не исключает других моделей темной энергии, таких как квинтэссенция, которые могут быть совместимы с теорией струн.

Квинтэссенция

Основная статья: Квинтэссенция (физика)

В моделях квинтэссенции темной энергии наблюдаемое ускорение масштабного фактора вызвано потенциальной энергией динамического поля , называемого полем квинтэссенции. Квинтэссенция отличается от космологической постоянной тем, что может меняться в пространстве и времени. Чтобы он не сгустился и не образовал структуру, подобную материи, поле должно быть очень легким, чтобы иметь большую комптоновскую длину волны .

Никаких доказательств квинтэссенции пока нет, но не исключено и это. Обычно он предсказывает немного более медленное ускорение расширения Вселенной, чем космологическая постоянная. Некоторые ученые думают, что лучшее доказательство квинтэссенции может быть получено из нарушений принципа эквивалентности Эйнштейна и вариации фундаментальных констант в пространстве или времени. Скалярные поля предсказываются Стандартной моделью физики элементарных частиц и теорией струн , но возникает проблема, аналогичная проблеме космологической постоянной (или проблеме построения моделей космологической инфляции ): теория перенормировки предсказывает, что скалярные поля должны приобретать большие массы.

Проблема совпадений спрашивает, почему ускорение Вселенной началось именно тогда. Если бы ускорение во Вселенной началось раньше, такие структуры, как галактики , никогда бы не успели сформироваться, а жизнь, по крайней мере, в том виде, в каком мы ее знаем, никогда бы не имела шанса на существование. Сторонники антропного принципа рассматривают это как поддержку своих аргументов. Однако многие модели квинтэссенции имеют так называемое «отслеживающее» поведение, которое решает эту проблему. В этих моделях поле квинтэссенции имеет плотность, которая точно отслеживает (но меньше) плотность излучения до достижения равенства материи и излучения , которое запускает квинтэссенцию, которая начинает вести себя как темная энергия, в конечном итоге доминируя во Вселенной. Это естественным образом устанавливает низкую энергетическую шкалу темной энергии.

В 2004 году, когда ученые сопоставили эволюцию темной энергии с космологическими данными, они обнаружили, что уравнение состояния, возможно, пересекло границу космологической постоянной (w = -1) сверху вниз. Доказана непроходимая теорема , согласно которой для этого сценария требуются модели как минимум с двумя типами квинтэссенции. Это так называемый сценарий Quintom .

Некоторыми частными случаями квинтэссенции являются фантомная энергия , в которой плотность энергии квинтэссенции фактически увеличивается со временем, и k-эссенция (сокращение от кинетической квинтэссенции), которая имеет нестандартную форму кинетической энергии, такую ​​как отрицательная кинетическая энергия . У них могут быть необычные свойства: например, фантомная энергия может вызвать Большой разрыв .

Взаимодействие темной энергии

Этот класс теорий пытается предложить всеобъемлющую теорию темной материи и темной энергии как единого явления, изменяющего законы гравитации в различных масштабах. Это может, например, рассматривать темную энергию и темную материю как разные грани одного и того же неизвестного вещества или постулировать, что холодная темная материя распадается на темную энергию. Другой класс теорий, объединяющих темную материю и темную энергию, предлагается в качестве ковариантных теорий модифицированной гравитации. Эти теории изменяют динамику пространства-времени, так что измененная динамика связана с тем, что было приписано присутствию темной энергии и темной материи. Темная энергия в принципе может взаимодействовать не только с остальной частью темного сектора, но и с обычной материей. Однако одной космологии недостаточно, чтобы эффективно ограничить силу связи между темной энергией и барионами, поэтому необходимо использовать другие косвенные методы или лабораторные исследования. Недавнее предложение предполагает, что необъяснимый в настоящее время избыток, наблюдаемый в детекторе XENON1T в Италии, мог быть вызван хамелеонной моделью темной энергии.

Модели переменной темной энергии

Плотность темной энергии могла изменяться во времени на протяжении истории Вселенной. Современные данные наблюдений позволяют оценить нынешнюю плотность темной энергии. Используя барионные акустические колебания , можно исследовать влияние темной энергии на историю Вселенной и ограничивать параметры уравнения состояния темной энергии. Для этого было предложено несколько моделей. Одна из самых популярных моделей - модель Шевалье – Полярского – Линдера (CPL). Некоторые другие распространенные модели: (Barboza & Alcaniz. 2008), (Jassal et al. 2005), (Wetterich. 2004), (Oztas et al. 2018).

Наблюдательный скептицизм

Некоторые альтернативы темной энергии, такие как неоднородная космология , нацелены на объяснение данных наблюдений более тонким использованием установленных теорий. В этом сценарии темная энергия фактически не существует, а является всего лишь артефактом измерения. Например, если мы находимся в более пустой, чем в среднем, области пространства, наблюдаемая скорость космического расширения может быть ошибочно принята за изменение во времени или за ускорение. Другой подход использует космологическое расширение принципа эквивалентности, чтобы показать, как может казаться, что пространство расширяется быстрее в пустотах, окружающих наше локальное скопление. Будучи слабыми, такие эффекты, совокупно рассматриваемые в течение миллиардов лет, могут стать значительными, создавая иллюзию космического ускорения и создавая впечатление, будто мы живем в пузыре Хаббла . Еще одна возможность состоит в том, что ускоренное расширение Вселенной является иллюзией, вызванной нашим относительным движением по отношению к остальной Вселенной, или что использованные статистические методы были несовершенными. Также было высказано предположение, что анизотропия локальной Вселенной была неверно представлена ​​как темная энергия. Это утверждение было быстро опровергнуто другими, включая статью физиков Д. Рубина и Дж. Хайтлауфа. Попытка лабораторного прямого обнаружения не смогла обнаружить никаких сил, связанных с темной энергией.

Исследование, опубликованное в 2020 году, поставило под сомнение обоснованность основного предположения о том, что светимость сверхновых типа Ia не зависит от возраста звездного населения, и предполагает, что темная энергия на самом деле может не существовать. Ведущий исследователь нового исследования Янг-Ук Ли из Университета Йонсей сказал: «Наш результат показывает, что темная энергия из космологии сверхновых , которая привела к Нобелевской премии по физике 2011 года , может быть артефактом хрупкого и ложного предположения». Многие вопросы, связанные с этой статьей, были подняты другими космологами, в том числе Адамом Риссом , который в 2011 году получил Нобелевскую премию за открытие темной энергии.

Другой механизм вождения ускорение

Модифицированная гравитация

Смотрите также: Массивная гравитация

Доказательства темной энергии во многом зависят от общей теории относительности. Следовательно, возможно, что модификация общей теории относительности также устранит необходимость в темной энергии. Таких теорий очень много, и исследования продолжаются. Измерение скорости гравитации в первой гравитационной волне, измеренное негравитационными средствами ( GW170817 ), исключило многие модифицированные теории гравитации в качестве объяснения темной энергии.

Астрофизик Итан Сигель утверждает, что, хотя такие альтернативы широко освещаются в прессе, почти все профессиональные астрофизики уверены, что темная энергия существует, и что ни одна из конкурирующих теорий не объясняет наблюдения с таким же уровнем точности, как стандартная темная энергия.

Последствия для судьбы вселенной

По оценкам космологов, ускорение началось примерно 5 миллиардов лет назад. До этого считается, что расширение замедлялось из-за притягивающего влияния материи. Плотность темной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем темная энергия, и в конечном итоге темная энергия доминирует. В частности, когда объем Вселенной удваивается, плотность темной материи уменьшается вдвое, но плотность темной энергии почти не меняется (она точно постоянна в случае космологической постоянной).

Прогнозы в будущее могут радикально отличаться для разных моделей темной энергии. Для космологической постоянной или любой другой модели, которая предсказывает, что ускорение будет продолжаться бесконечно, конечным результатом будет то, что галактики за пределами Местной группы будут иметь лучевую скорость, которая постоянно увеличивается со временем, в конечном итоге намного превышая скорость свет. Это не нарушение специальной теории относительности, поскольку используемое здесь понятие «скорость» отличается от понятия скорости в локальной инерциальной системе отсчета , которая по-прежнему ограничена, чтобы быть меньше скорости света для любого массивного объекта (см. Использование правильного расстояния для обсуждения тонкостей определения любого понятия относительной скорости в космологии). Поскольку параметр Хаббла со временем уменьшается, на самом деле могут быть случаи, когда галактика, удаляющаяся от нас быстрее света, действительно может излучать сигнал, который в конечном итоге достигает нас.

Однако из-за ускоряющегося расширения предполагается, что большинство галактик в конечном итоге пересечет такой тип космологического горизонта событий, где любой свет, который они излучают за эту точку, никогда не сможет достичь нас в любое время в бесконечном будущем, потому что свет никогда не достигнет точка, в которой его «пекулярная скорость» по направлению к нам превышает скорость расширения вдали от нас (эти два понятия скорости также обсуждаются в разделе «Использование надлежащего расстояния» ). Если предположить, что темная энергия постоянна ( космологическая постоянная ), текущее расстояние до этого космологического горизонта событий составляет около 16 миллиардов световых лет, а это означает, что сигнал от события, происходящего в настоящее время , в конечном итоге сможет достичь нас в будущем, если событие были на расстоянии менее 16 миллиардов световых лет, но сигнал никогда бы не достиг нас, если бы событие было на расстоянии более 16 миллиардов световых лет.

По мере того, как галактики приближаются к точке пересечения этого космологического горизонта событий, свет от них будет становиться все более и более смещенным в красную сторону до такой степени, что длина волны становится слишком большой, чтобы ее можно было обнаружить на практике, и галактики, кажется, полностью исчезают ( см. Будущее расширяющейся Вселенной ). Планета Земля, Млечный Путь и Местная группа, частью которой является Млечный Путь, останутся практически нетронутыми, поскольку остальная часть Вселенной отступит и исчезнет из поля зрения. В этом сценарии Местная группа в конечном итоге подвергнется тепловой смерти , как это предполагалось для плоской вселенной с преобладанием материи до измерений космического ускорения .

Есть и другие, более умозрительные представления о будущем Вселенной. Модель фантомной энергии темной энергии приводит к расходящемуся расширению, что означает, что эффективная сила темной энергии продолжает расти, пока не станет преобладать над всеми другими силами во Вселенной. Согласно этому сценарию, темная энергия в конечном итоге разорвет на части все гравитационно связанные структуры, включая галактики и солнечные системы, и в конечном итоге преодолеет электрические и ядерные силы, чтобы разорвать сами атомы, в результате чего Вселенная превратится в « Большой разрыв ». С другой стороны, темная энергия со временем может рассеяться или даже стать привлекательной. Такие неопределенности оставляют открытой возможность гравитации в конечном итоге преобладать и приводят к тому, что Вселенная сжимается сама по себе в « Большом сжатии », или что может даже существовать цикл темной энергии, что подразумевает циклическую модель Вселенной, в которой каждая итерация ( Большой взрыв, а затем и Большой кризис ) длится около триллиона (10 12 ) лет. Хотя ничто из этого не подтверждается наблюдениями, они не исключены.

В философии науки

В философии науки темная энергия является примером «вспомогательной гипотезы», специального постулата, который добавляется к теории в ответ на наблюдения, которые ее опровергают . Утверждалось, что гипотеза темной энергии является конвенционалистской гипотезой, то есть гипотезой, которая не добавляет эмпирического содержания и, следовательно, неопровержима в смысле, определенном Карлом Поппером .

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки