Журнал «Все о Космосе»
Тёмная энергия
Существует два варианта объяснения сущности тёмной энергии:
тёмная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами, постулируется ненулевая энергия и давление вакуума);
тёмная энергия есть некая квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.
К настоящему времени (2015 год) все известные надёжные наблюдательные данные не противоречат первой гипотезе, так что она принимается в космологии как стандартная. Окончательный выбор между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.
Согласно опубликованным в марте 2013 года данным наблюдений космической обсерватории «Планк», общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной на 95,1 % состоит из тёмной энергии (68,3 %) и тёмной материи (26,8 %).
Состав Вселенной по данным WMAP
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.
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. Был сделан вывод, что 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 (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением. Её назвали «тёмной энергией».
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 скоплений галактик. 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.
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.
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» (от названия 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).
Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы (плотности), но и от давления, причём давление имеет бо́льший коэффициент, чем плотность. Отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение расширения Вселенной.
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. 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.
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.
Альтернативный подход был предложен в 1987 году немецким физиком-теоретиком Кристофом Веттерихом. Веттерих исходил 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 (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 определённый 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.
Были предложены и другие возможные виды тёмной энергии: фантомная энергия, для которой энергетическая плотность возрастает со временем (в уравнении состояния этого типа тёмной энергии w
© 2015-2021. Все права защищены. Журнал «Все о Космосе»
Источник
Тёмная материя и тёмная энергия: Составляют 95% всей Вселенной
А также немного о войдах и структуре Вселенной
Думаю знакомо ощущение, когда посреди ночи просыпаешься от пустоты в животе и залезаешь в не менее пустой холодильник. Вселенную это чувство «голода» преследует постоянно.
Галактики на вселенском полотне располагаются не абы как. «Галактические нити» — так характеризуется структура Вселенной. Посмотрите на картинку снизу:
На ней различимы кластеры(скопления) галактик включая квазары. Также взгляните на это:
А теперь попрошу обратить внимание на огромные пустоты между галактическими нитями. Это войды или супервойды.
Размеры таких пустот колоссальные. Протяжённость одного войда может составлять 80 — 100 Мегапарсек(Мпк).
Таким образом, межгалактические области вытягиваются на миллионы световых лет. Чтобы понять, как это много напомню какое расстояние от Млечного Пути до галактики Андромеды — 2,5 миллиона световых лет.
Галактики в кластерах двигаются быстро. Гравитация видимой материи не смогла бы обеспечить лихим хлопцам такую скоростью. Так значит, обитает ещё какая-то, невиданная раньше материя? Подозрение на существование такого сюрприза Вселенной появилось ещё в 30-х годах прошлого века.
Так было введено понятие «Тёмная материя», форма материи, имеет массу, составляет 27% Вселенной, не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Ни в радио, ни видимом, ни в одном другом диапазонах её не видно. Она взаимодействует только при помощи гравитации, соединяет галактики в уже знакомые читателям галактические нити, окутывая собой видимую материю.
Откуда тогда астрофизики знают о её существовании?
В Солнечной системе по мере отдаления от Солнца тела вращаются вокруг звезды всё медленней. Это происходит, потому что большая часть массы(99,8%) системы живёт в Солнце, то есть в центре. В масштабах одной галактики должно быть точно так же, но как бы не так!
В 1970м году Вера Рубин, американский астроном, при помощи эффекта Доплера измерила скорость вращения различных участков соседней галактики Андромеды. В результате выяснилось, что эта скорость не зависела от удалённости от центра. Точно также происходит и с другими галактиками, в том числе нашей. Этот феномен доказал существование тёмной материи.
Из-за неё основная масса галактики расположена не в центре, а почти равномерно распределена по диску.
Солнце — огромный коллайдер прямо у нас над головами. Странствуя по Млечному Пути оно пролетает сквозь тёмную материю, при этом накапливая её частицы, которые даже именем собственным обзавелись — Вимпы. Ежесекундно они миллиардами штурмуют всю Солнечную систему. Считается, что примерно 11 вимпов в час сталкивается с ядрами твоего тела. Также хитрые пацанчики культурно собираются в центре Солнца, где аннигилируют.
В этом не дружелюбном месте сталкиваются и много других частиц. Аннигиляция приводит к тому, что земное светило вынуждено постоянно бомбардировать нас частичками нейтрино, которые врезаются в тебя и меня прямо сейчас. Да-да, это та самая Солнечная радиация.
В результате аннигиляции частиц тёмной материи должны рождаться нейтрино, энергия которых гораздо больше, чем у других. Учёные пытаются поймать их уже сегодня. Делают это при помощи телескопов. не совсем обычных телескопов. Прибор засовывают под воду или закапывают в землю, так как именно в этих средах лучше всего улавливаются нейтрино.
Сейчас хочу поведать вам об одном очень интересном предположении. Существует мнение, мол вимп — это не единственная частица тёмной материи. Тёмные протоны, тёмные электроны в общем всё, что присуще видимой материи, но с приставкой «темный». Почему бы тёмной материи не быть такой же сложной, как и видимая материя? Возможно во времена, когда Вселенная была малышом и носила подгузник, обычные частицы могли становится тёмными, а тёмные обычными. Чтобы узнать наверняка потребуется коллайдер гораздо больше, чем БАК, километров так 100 в диаметре. Такая гоночная трасса будет гораздо мощнее, что позволит разгонять частицы до ещё более высоких скоростей.
Помимо тёмной материи существует ещё и тёмная энергия. Астрофизики, обязательно было такие страшные имена придумывать? В любом случае, названия были даны не просто так. Тёмная энергия ещё не менее невидимая и загадочная штука. Она составляет составляет аж 68% Вселенной.
Тёмная энергия делает настоящую магию. Она есть абсолютно везде, где есть пространство. Кроме того, невидимая дама не является материей или веществом, тёмная энергия является частью самого пространства и делает так, чтобы его расширение проходило всё быстрее и быстрее. Как и почему это происходит? — неизвестно. Мы лишь знаем об этом благодаря наблюдениям за галактиками, которые отдаляются друг от друга из-за расширения Вселенной.
Вселенная — как воздушный шарик, который заполняется пространством. Образуемое пространство как бы отодвигает старое, и так постоянно.
Иной раз люди становятся свидетелями загадок Вселенной и это нормально, ведь она не обязана быть понятной жителям маленькой звёздной системы, вращающейся вокруг центра маленькой галактики в местном скоплении, находящемся в огромном океане галактических нитей.
Как оказалось, космос не такой уж пустой, а видимая нами материя составляет лишь 5% его части. Задавайте в комментариях вопросы, если смогу, отвечу на них.
Админ писал статью несколько часов, его можно наградить лишь лайком и подпиской на Книгу космоса .
Источник