несколько популярных слов / Хабр

Некоторая ирония природы состоит в том, что наиболее изобильная форма энергии во Вселенной есть и наиболее загадочная. После ошеломляющего открытия ускоренного расширения Вселенной довольно быстро возникла согласованная картина, указывающая на то, что 2/3 космоса «сделаны» из «темной энергии» — некоторого сорта гравитационно отталкивающего материала. Но достаточно ли убедительны доказательства, подтверждающие новые экзотические законы природы? Может имеются более простые астрофизические объяснения этих результатов?

Предыстория Нобелевской премии

История темной энергии началась в 1998 году, когда два независимых коллектива исследовали удаленные сверхновые

с целью обнаружить скорость замедления расширения Вселенной.

Одна из них,

Supernova Cosmology Project

, приступила к работе в 1988-м, и руководил ею Сол Перлмуттер. Другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом

High-z Supernova Search Team

, подключилась к исследованиям в 1994-м.

Результат поверг их в шок: Вселенная достаточно давно находится в режиме ускоренного расширения.

Как детективы, космологи всего мира собирали досье на обвиняемого, ответственного за ускорение. Его особые приметы: гравитационно отталкивающий, препятствует образованию галактик (кластеризации материи в галактики), проявляется в растяжении пространства-времени. Кличка обвиняемого – «темная энергия». Многие теоретики предполагали, что обвиняемый – космологическая константа. Она безусловно соответствовала сценарию ускоренного расширения. Но хватало ли улик, чтобы полностью идентифицировать темную энергию с космологической постоянной?

Существование гравитационно-отталкивающей темной энергии должно было иметь драматические следствия для фундаментальной физики. Наиболее консервативное предположение состояло в том, что Вселенная заполнена однородным морем квантовой энергии нулевых колебаний или конденсатом новых частиц, масса которых в раз меньше электрона. Некоторые исследователи также предполагали необходимость изменения общей теории относительности, в частности, новые дальнодействующие силы, ослабляющие действие гравитации. Но даже в самых консервативных предложениях имелись серьезные недостатки. Например, плотность энергии нулевых колебаний оказалась на 120 неправдоподобных порядка меньше теоретических предсказаний. С точки зрения этих экстремальных предположений казалось более естественным искать решение в рамках традиционных астрофизических понятий: межгалактическая пыль (рассеяние фотонов на ней и связанное с этим ослабление потока фотонов) или разница между новыми и старыми сверхновыми звездами. Эта возможность поддерживалась многими космологами, бодрствующими в ночи.

Наблюдения сверхновых и их анализ проведенный С. Перлмуттером, Б. Шмидтом и А. Риссом, дали понять, что убывание их яркости с расстоянием происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Совсем недавно это открытие было отмечено Нобелевской премией по физике. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е. скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в плотность вещества во Вселенной различных составляющих.

До недавнего времени сверхновые звезды были единственным прямым доказательством ускоренного расширения и единственной убедительной опорой темной энергии. Точные измерения космического микроволнового фона, включающие WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) данные обеспечили независимое подтверждение реальности темной энергии. То же самое подтвердили и данные еще двух мощных проектов: крупномасштабное распределение галактик во Вселенной и Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Sloan Digital Sky Survey (SDSS, Слоуновский цифровой обзор неба) — проект широкомасштабного исследования изображений и спектров звёзд и галактик, использующий 2,5-метровый широкоугольный телескоп в Обсерватория Апачи-Пойнт, Нью-Мексико.

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной.

Комбинация данных WMAP, SDSS и других источников, нашли, что гравитационное отталкивание, генерируемое темной энергией, замедляет коллапс сверхплотных областей материи во Вселенной. Реальность темной энергии сразу стала существенно более приемлемой.

Космическое расширение

Космическое расширение было открыто Эдвином Хабблом в конце 1920-х и, может, является самой важной особенностью нашей Вселенной. Не только астрономические тела двигаются под влиянием гравитационного взаимодействия своих соседей, но и крупномасштабные структуры еще в большей степени растягиваются космическим расширением. Популярная аналогия – движение изюминок в очень большом пироге, находящемся в печи. Когда пирог подходит, расстояние между любой парой изюминок, погруженных в пирог, растет. Если мы вообразим, что одна конкретная изюминка представляет нашу галактику, то мы обнаружим, что все другие изюминки (галактики) удаляются от нас по всем направлениям. Наша Вселенная расширялась из горячего плотного космического супа, созданного в процессе Большого Взрыва, в куда более холодное и более разряженное собрание галактик и кластеров галактик, которой мы наблюдаем сегодня.

Чем дальше от Земли находится та или иная галактика, тем выше скорость ее удаления от нас и, соответственно, тем сильнее смещены к красному концу линии ее спектра.

Свет, испущенный звездами и газом в отдаленных галактиках, растягивается подобным же образом, удлиняя свою длину волны во время своего путешествия к Земле. Этот сдвиг в длине волны задается красным смещением , где — длина света на Земле и -длина волны испущенного света. Например, лайман альфа переход в атоме водорода характеризуется длиной волны нанометров (при возвращении в основное состояние). Этот переход можно обнаружить в излучении отдаленных галактик. В частности, он был использован для обнаружения рекордно большого красного смещения: ошеломляющее z=10 с линией лайман альфа при нанометров. Но красное смещение описывает только изменение в масштабах космоса при испускании и поглощении света и не дает прямой информации о расстоянии до излучателя или возрасте Вселенной, когда свет был испущен. Если мы знаем как расстояние до объекта, так и красное смещение, мы можем попытаться получить важную информацию о динамике расширения Вселенной.

Наблюдения сверхновых звезд обнаружили некоторую гравитационно-отталкивающую субстанцию, которая управляет ускорением Вселенной. Астрономы не первый раз столкнулись с проблемой недостающей материи. Светящиеся массы галактик оказались существенно меньше гравитирующих масс. Эта разница была восполнена темной материей – холодной нерелятивистской материи, в основном, вероятно, состоящей из частиц, слабо взаимодействующих с атомами и светом.

Однако наблюдения указывали, что полное количество материи во Вселенной, включая и темную материю, составляет всего 1/3 от полной энергии. Это было подтверждено исследованием миллионов галактик в рамках 2DF и SDSS проектов. Но общая теория относительности предсказывает, что имеется точная связь между расширением и энергетическим содержанием Вселенной. Мы, следовательно, знаем, что общая плотность энергии всех фотонов, атомов и темной материи должна быть дополнена до некоторого критического значения, определяемого постоянной Хаббла : . Загвоздка в том, чего нет, но это совсем другая история.

Краткая история темной энергии

Темная энергия, или нечто подобное ей, много раз возникала в истории космологии. Ящик Пандоры открыл Эйнштейн, который ввел

космологическую постоянную

в свои уравнения гравитационного поля. Космическое расширение тогда еще не было открыто и уравнения правильно «подсказывали», что Вселенная, содержащая материю, не может быть статичной без математического дополнения – космологической постоянной, которую принято обозначать

. Эффект эквивалентен заполнению Вселенной морем отрицательной энергии, в котором дрейфуют звезды и туманности. Открытие расширения устранило необходимость этого ad hoc дополнения теории.

В последующие десятилетия отчаянные теоретики периодически вводили

в попытке объяснить новые астрономические явления. Эти возвраты были всегда кратковременными и обычно заканчивались более правдоподобными объяснениями полученных данных. Однако с 60-х годов начала пробиваться идея того, что вакуумная (нулевая) энергия всех частиц и полей должна неизбежно генерировать слагаемое, подобное

. Кроме того, есть основания полагать, что космологическая постоянная могла естественно возникнуть на ранних этапах эволюции Вселенной.

В 1980 была развита теория инфляции. В этой теории ранняя Вселенная испытала период ускоренного экспоненциального расширения. Расширение было обязано отрицательному давлению, обязанному новой частице –

инфлатону

. Инфлатон оказался очень успешным. Он разрешил много

парадоксов в модели Большого Взрыва

. К этим парадоксам относятся проблемы горизонта и плоскостности Вселенной. Предсказания теории хорошо согласовывались различными космологическими наблюдениями.

Темная энергия и будущее Вселенной

С открытием темной энергии сильно изменились представления о том, каким может быть отдаленное будущее нашей Вселенной. До этого открытия вопрос о будущем однозначно связывался с вопросом о кривизне трехмерного пространства. Если бы, как многие раньше считали, кривизна пространства на 2/3 определяла современный темп расширения Вселенной, а темная энергия отсутствовала, то Вселенная расширялась бы неограниченно, постепенно замедляясь. Теперь же понятно, что будущее определяется свойствами темной энергии.

Поскольку мы эти свойства знаем сейчас плохо, предсказать будущее мы пока не можем. Можно только рассмотреть разные варианты. Про то, что происходит в теориях с новой гравитацией, сказать трудно, но другие сценарии есть возможность обсудить уже сейчас. Если темная энергия постоянна во времени, как в случае энергии вакуума, то Вселенная будет всегда испытывать ускоренное расширение. Большинство галактик в конце концов удалится от нашей на громадное расстояние, и наша Галактика вместе с немногими соседями окажется островком в пустоте. Если темная энергия — квинтэссенция, то в далеком будущем ускоренное расширение может прекратиться и даже смениться сжатием. В последнем случае Вселенная вернется в состояние с горячей и плотной материей, произойдет «Большой взрыв наоборот», назад во времени.

Энергетический бюджет нашей Вселенной. Стоит обратить внимание на то, что на долю привычного вещества (планеты, звезды, весь окружающий нас мир) приходится всего 4 процента, всё остальное составляют «темные» формы энергии.

Еще более драматическая судьба ожидает Вселенную, если темная энергия — фантом, причем такой, что его плотность энергии возрастает неограниченно. Расширение Вселенной будет все более и более быстрым, оно настолько ускорится, что галактики будут вырваны из скоплений, звезды из галактик, планеты из Солнечной системы. Дело дойдет до того, что электроны оторвутся от атомов, а атомные ядра разделятся на протоны и нейтроны. Произойдет, как говорят, большой разрыв.

Такой сценарий, однако, представляется не очень вероятным. Скорее всего, плотность энергии фантома будет оставаться ограниченной. Но и тогда Вселенную может ожидать необычное будущее. Дело в том, что во многих теориях фантомное поведение — рост плотности энергии со временем — сопровождается неустойчивостями фантомного поля. В таком случае фантомное поле во Вселенной будет становиться сильно неоднородным, плотность его энергии в разных частях Вселенной будет разной, какие-то части будут быстро расширяться, а какие-то, возможно, испытают коллапс. Судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область она попадет. Все это, впрочем, относится к будущему, отдаленному даже по космологическим меркам. В ближайшие 20 миллиардов лет Вселенная будет оставаться почти такой же, как сейчас. У нас есть время для того, чтобы разобраться в свойствах темной энергии и тем самым более определенно предсказать будущее — а может быть, и повлиять на него.

Пару слов о себе

В настоящее время я профессионально занимаюсь космологией, наукой которая изучает наибольший из существующих объектов – всю Вселенную. В то же время я являюсь давним (и постоянным) читателем горячо любимого Хабра, который не перестает удивлять замечательными статьями по всем направлениям IT технологий. Однако, будучи представителем космологической науки, был сильно удивлен и расстроен тем, что нет подобного сайта и сообщества по космологической, достаточно современной и бурно развивающейся науке.

Мы захотели восполнить эту нишу, и создать сайт о современной космологии – ModCos. В силу ряда причин, не всё задуманное у нас вышло, но то что получилось, не кажется плохим, а возможно даже полезным.
Nota bene: Не являясь и не прибегая к помощи сторонних веб-разработчиков, сайт был написан нами с нуля, и был нашим первым блином.

Ускоренное расширение Вселенной – Статьи на сайте Четыре глаза

Физики РУДН математически описали ускоренное расширение Вселенной в рамках многомерной теории

Физики РУДН математически описали наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной, используя космологические решения в (n+1)-мерной модели Эйнштейна-Гаусса-Бонне. Также исследователи доказали существование устойчивых решений с достаточно малым значением вариации эффективной гравитационной постоянной G. Работа опубликована в журнале General Relativity and Gravitation.

В 1998-99 годах физики Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс с коллегами обнаружили ускоренное расширение Вселенной, и получили за это Нобелевскую премию 2011 года. Для объяснения этого открытия и ряда других данных ученые создали теоретическую Лямбда-CDM модель, оперирующую понятиями темной энергии и темной материи. На сегодняшний день она дает наиболее реальное и простое объяснение ускоренного расширения Вселенной. На базе этой модели без темной материи со слагаемым Гаусса-Бонне физики РУДН смогли исследовать и найти примеры решений полученных математических уравнений, которые согласуются с экспериментальными данными.

Исследователи РУДН нашли множество решений уравнений, описывающих экпоненциальное расширение нашей Вселенной и анизотропную – не зависящую от направления – динамику «внутреннего» подпространства. Для этого авторы использовали (n+1)-мерное пространство-время: оно содержит n пространственных и 1 временное измерение. Также ученые ввели математические параметры: две размерные константы связи и лямбда-член многомерной теории – постоянные величины, которые создают физические параметры 4-мерной теории и описывают ускоренное расширение Вселенной.

В результате ученые РУДН свели задачу к алгебраическому уравнению четвертой степени. Изменяя глобальные параметры системы, они нашли все случаи существования вещественных корней этого уравнения. В частности, найдены ограничения на величину параметра лямбда, которые гарантируют существование решений.

Работа исследователей проходила в несколько этапов. В начале ученые РУДН получили систему из трех уравнений четвертой степени в заданной математической модели. Затем, они свели полученную систему к уравнению четвертой степени на нахождение безразмерного параметра. На втором этапе физики исследовали существование решений этого уравнения при различных значениях исходного лямбда-члена. На третьем этапе ученые рассмотрели устойчивость полученных решений, используя результаты своих более ранних работ. Затем физики РУДН исследовали подкласс решений с достаточно малым изменением эффективной гравитационной постоянной – физической «постоянной», определяющей силу гравитационного взаимодействия в нашем мире. Они доказали устойчивость решений из данного подкласса.

«С физической точки зрения, найдены многомерные космологические модели, в которых описывается ускоренное расширение 3-мерного подпространства и достаточно малое значение вариации эффективной гравитационной постоянной G, которое удовлетворяет современным наблюдательным ограничениям. В том числе оно удовлетворяет наиболее жестким ограничениям, которые получили наши коллеги из Пулковской обсерватории по совокупности эфемерид, то есть по наблюдениям движения небесных тел – например, планет и спутников», – говорит Владимир Иващук, один из авторов работы, доктор физико-математических наук, профессор Учебно-научного института гравитации и космологии РУДН.

Квазары подтвердили ускоренное расширение Вселенной: Наука и техника: Lenta.ru

Международная группа исследователей из США и Японии получила очередное подтверждение ускоренного расширения Вселенной и существования темной энергии. Статья ученых принята к публикации в The Astrophysical Journal, а ее препринт доступен на сайте arXiv.org.

В 90-х годах прошлого века астрофизики установили, что со времени Большого Взрыва Вселенная расширяется с ускорением. Это открытие было сделано благодаря наблюдениям за так называемыми сверхновыми класса Ia (о том, как конкретно это было сделано, «Лента.ру» уже подробно писала), за которое американцам Солу Перлмуттеру и Адаму Рису и австралийцу Брайану Шмидту в 2011 году вручили Нобелевскую премию. Для объяснения ускоренного расширения ученым пришлось ввести понятие темной энергии.

В рамках новой работы ученые использовали для оценки скорости расширения Вселенной независимый статистический подход. Проведя некоторую теоретическую работу, они установили, что разные «форматы» расширения пространства (с ускорением, без ускорения, с замедлением) взаимосвязаны с количеством наблюдаемых «космических миражей».

Так ученые окрестили многократные изображения квазаров в результате гравитационного линзирования — процесса искажения направления движения света под воздействием гравитации сверхмассивного объекта. Иногда, в ходе такого взаимодействия свет от квазара разделяется на два и наблюдателю на Земле видно сразу два квазара. За 10 лет работы группа исследователей изучила изображения 100 тысяч квазаров, собранные в рамках программы SDSS.

Из этих, а также ранее известных миражей, было отобрано 19 квазаров, на основе которых ученые проверили свои статистические гипотезы. Как оказалось, распределение квазаров по расстояниям лучше всего согласуется с гипотезой расширяющейся с ускорением Вселенной.

Более того, новые результаты показывают, что темная энергия ведет себя как космологическая постоянная — дополнительный член, введенный Эйнштейном в собственное уравнение, описывающее гравитационное взаимодействие. Известно, что Эйнштейн ввел этот член для того, чтобы получить статическую Вселенную, то есть не расширяющуюся и не сжимающуюся. Однако, после открытия расширения космоса Хабблом великий физик назвал космологическую постоянную своей «величайшей ошибкой». В свою очередь уже после открытия ускорения у этого расширения стало понятно, что космологическая постоянная Эйнштейна может отвечать за загадочную темную энергию.

Темной энергии не существует? Новые свидетельства, опровергающие принятую модель устройства Вселенной

• Николай Воронин
• Корреспондент по вопросам науки

21 января 2020

Автор фото, Science Photo Library

Подпись к фото,

Взрыв сверхновой звезды ученые используют в качестве «стандартной свечи»

Современная наука утверждает, что наша Вселенная лишь на 5% состоит из «обычной», привычной нам материи. Еще примерно четверть составляет загадочная темная материя, о которой нам известно довольно мало, поскольку она недоступна прямому наблюдению.

Наибольшая же часть — оставшиеся две трети — приходятся на еще более загадочную темную энергию, о которой мы и вовсе не знаем практически ничего, но именно она заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.

Однако недавнее исследование южнокорейских астрономов позволяет предположить, что на самом деле никакой темной энергии не существует. По мнению авторов статьи, сама гипотеза об ускоряющемся разбегании галактик основана на ложной догадке и некорректных расчетах.

Сенсационное заявление прозвучало на собрании Американского астрономического сообщества в Гонолулу и вызвало ожесточенную полемику в научных кругах, поскольку фактически ставит под вопрос принятую на сегодняшний день модель устройства Вселенной.

Критики работы указывают на ее возможные недостатки и напоминают о других косвенных доказательствах устоявшейся теории.

Однако, несмотря на все усилия, ученые уже 20 лет не могут объяснить природу темной энергии (или хотя бы приблизиться к такому объяснению). И сенсационная работа южнокорейских астрономов — не первая попытка опровергнуть само ее существование.

Что такое темная энергия?

В 1990-е годы астрономы обнаружили, что галактики не просто разбегаются в разные стороны, а делают это все быстрее и быстрее — то есть Вселенная расширяется с ускорением.

Это открытие сильно озадачило ученых, поскольку совершенно не укладывалось в принятую модель. Наблюдения телескопов опровергали сам принцип гравитации: ведь силы притяжения, возникающие между любыми материальными объектами, по идее должны замедлять расширение, а никак не ускорять его.

Для того чтобы как-то объяснить это противоречие, и была выдвинута гипотеза темной энергии — некой неведомой силы, которая заставляет галактики ускоряться.

Грубо говоря, ученые обнаружили в существующей теории дыру и наложили на нее заплатку: ввели в уравнение новую переменную, которая позволяла сойтись сделанным ранее расчетам.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Так эффект темной энергии изображают в НАСА

С тех пор наблюдения астрономов принесли еще несколько не вполне объяснимых результатов, однако каждый раз их выручала все та же «математическая заплатка». С ней формулы сходились — а значит, существование загадочной энергии получало все новые косвенные подтверждения.

В 2011 году открытие ускоряющейся Вселенной было удостоено Нобелевской премии по физике, а гипотеза о темной энергии окончательно легла в основу современной космологии.

Как было сделано это открытие?

Один из способов измерить расстояние в астрономии — так называемый метод «стандартных свечей», на основе наблюдения за сверхновыми звездами определенного типа.

Когда звезда из типа белых карликов резко сжимается под действием гравитации и взрывается, этот взрыв сопровождается яркой вспышкой сверхновой. При этом, где бы ни располагалась такая звезда, ее яркость (ученые используют термин «светимость») примерно одинакова — во всяком случае так было принято считать до последнего времени.

Однако при наблюдении с Земли яркость сильно зависит от расстояния: чем ближе взорвавшаяся звезда, тем ярче вспышка. И это позволяет довольно точно рассчитать, насколько далеко произошел взрыв.

Помимо «стандартных свечей», для расчета астрономических расстояний используются и другие способы — например, уравнение Хаббла, составленное для равномерно расширяющейся Вселенной. И когда разные методы дают один и тот же результат, они как бы подтверждают друг друга.

Но в 1998 году астрономы вдруг обнаружили, что в удаленных галактиках разные способы подсчета приводят к разному результату. Расстояние, вычисленное по методу «стандартных свечей», оказывается значительно больше, чем рассчитанное ранее по методу Хаббла.

Подпись к фото,

«Карта» темной материи, составленная в 2006 году

Численный анализ заставил ученых предположить, что Вселенная расширяется быстрее, чем предполагалось ранее, и расширение это происходит с ускорением.

20 лет назад эта гипотеза звучала совершенно революционно, но сегодня в научном мире это общепринятая точка зрения.

Что изменилось теперь?

Команда астрономов из Университета Ёнсе в Сеуле и Лионского университета провела наиболее точные измерения возраста большинства галактик, где наблюдались вспышки сверхновых.

Результаты исследования, на которое ушло девять лет, показали, что яркость сверхновых звезд абсолютно соотносится с возрастом родительской галактики и не требует никаких дополнительных переменных. То есть в галактиках разного возраста светимость сверхновых будет разной.

Другими словами, расхождение измерений, поставившее ученых в тупик в 1998 году, легко объясняется одной лишь эволюцией яркости звезд — и нет никаких оснований предполагать, что Вселенная расширяется с ускорением.

А значит, отпадает и необходимость объяснения этого ускорения — загадочная темная энергия оказывается просто не нужна.

«Как говорил [американский астроном] Карл Саган, экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств, а я вовсе не уверен, что у нас есть подобные экстраординарные доказательства существования темной энергии», — заявил руководитель исследования, профессор Ён Вук Ли.

«Наши результаты показывают, что сама гипотеза темной энергии на основе космологии сверхновых, удостоенная в 2011 году Нобелевской премии по физике, может базироваться на ненадежном и попросту ошибочном предположении», — утверждает он.

Ученые 20 лет искали то, чего нет?

Публикация работы южнокорейских астрономов подлила масла в огонь ожесточенной полемики, которая разгорелась в научном сообществе в последнее время.

Дело в том, что в ноябре и декабре были опубликованы сразу две работы, предлагающие альтернативные объяснения ускорению Вселенной.

В одной статье оно объясняется квантовыми свойствами материи (так называемым эффектом Казимира). В другой и вовсе делается предположение, что Вселенная на самом деле не ускоряется: противоречия в измерениях 1998 года объясняются лишь точкой, из которой ведется наблюдение.

«Важно понимать, что непосредственно ускоренное космологическое расширение наблюдать невозможно, — поясняет автор первой статьи Артем Асташенок, возглавляющий лабораторию астрофизики и космологии в Балтийском федеральном университете. — Когда астрофизики говорят об этом, то речь всегда идет об интерпретации тех или иных измерений».

Подпись к фото,

Взрыв сверхновой звезды

Так или иначе, все три опубликованные в последние месяцы работы объединяет одно: ни одна из них не требует существования темной энергии. Той самой невидимой силы, которую физики и астрономы искали последние 20 лет. Той самой, за «открытие» которой в 2011 году вручили Нобелевскую премию. Той самой, которая лежит в основе современных представлений о Вселенной.

Возможно, сама гипотеза о ее существовании изначально была ошибкой.

Что все это значит?

Наука постоянно развивается, углубляя наши представления об окружающем мире. Но выдвигаемые теории, объясняющие тот или иной феномен, не так уж редко впоследствии оказываются неточными или даже откровенно ошибочными.

Например, сейчас любой школьник знает, что горение — это процесс взаимодействия горючего вещества с кислородом. Однако этот химический элемент был открыт только в конце XVIII века, а до этого ученые считали, что все горючие вещества наполняет таинственная огненная субстанция — флогистон, который высвобождается при горении и смешивается с воздухом.

Когда выяснилось, что при прокаливании стали масса металла не уменьшается, а наоборот увеличивается, ученые озадачились — но быстро придумали объяснение: очевидно, флогистон обладает отрицательной массой.

Даже открытый в 1774 году кислород поначалу называли «дефлогистированный воздух» — то есть воздух, который очищен от флогистона и потому лучше поддерживает горение.

И темная энергия вполне может оказаться «флогистоном XXI века» — если в итоге выяснится, что на самом деле расширение Вселенной не ускоряется.

С другой стороны, наблюдения последних 20 лет дали ученым немало результатов, косвенно свидетельствующих в пользу ускоренного расширения (1, 2). И не очень понятно, как объяснять эти наблюдения, если отказаться от принятой теории.

«В таком важном вопросе требуется комплексный подход, поэтому рано говорить о том, что ускоренное расширение Вселенной связано просто с ошибочной интерпретацией данных наблюдений, — предупреждает Асташенок. — Но сама по себе возможность объяснить ускоренное расширение без темной энергии весьма интересна».

«Конечно, с точки зрения «бритвы Оккама», обойтись без темной энергии было бы хорошо, — резюмирует эксперт, — это избавило бы от многих проблем. Так что подождем развития дискуссии».

Автор обреченной Вселенной

«Воды, в которые я вступаю, не пересекал еще никто»

Александр Фридман 

В 1922 году физик из Петрограда Александр Фридман открывает, что уравнения общей теории относительности Эйнштейна допускают не только статические, но и динамические решения. 

Суть этих работ известный российско-американский историк науки Алексей Кожевников  описал в докладе «Культурная среда теории Большого взрыва: пространство–время, смерть–воскрешение и Русская революция», который он прочитал в Институте гуманитарных историко-теоретических исследований имени А. В. Полетаева (ИГИТИ) ВШЭ (полную версию доклада «Стимул» предполагает опубликовать на следующей неделе):.

«Фридман предложил рассматривать вселенную как вселенную с меняющимся радиусом. Непонятно зачем, потому что никто тогда не хотел жить в такой вселенной. Все хотели бы жить в стабильной, как шарик, вселенной. Именно такую модель предложил Эйнштейн в 1917 году. В рамках релятивистской космологии Эйнштейном были предложены две стационарные модели вселенной, и физики обсуждали, какая из них лучше. А Фридман решил исследовать предположение — что будет, если радиус вселенной будет меняться? Дальше в игру уже вступала математика. Фридман утверждал, что можно найти три класса решений  с таким качественным развитием. В каждом из таких классов бесконечное число решений. В стационарной модели Эйнштейна это модель типа шарика, было бесконечное число решений: для каждого радиуса можно было указать свое решение. А решения определялись двумя параметрами, каждый из которых мог иметь любое значение — радиус вселенной и ее плотность. Решение давало возможность понять, в зависимости от выбранных параметров, в какой примерно точке мы находимся, и понять, что будет со вселенной дальше.

Почему Фридману захотелось рассматривать вселенную с меняющимся радиусом, он не объяснил, но выводит все математические следствия этой гипотезы. Эту гипотезу поначалу практически все отвергли, включая самого Эйнштейна. Потребовались десятилетия, когда стали появляться эмпирические данные, чтобы к ней вернуться, когда уже другие люди тоже стали ее поддерживать».

Три возможных главных сценария эволюции космоса, предложенных Фридманом в 1922 г., изображены в виде зависимости космического радиуса от времени. В первом монотонном сценарии, М1, Вселенная расширяется из сингулярности с уменьшающейся скоростью до некоторого момента tf, затем скорость расширения увеличивается. Настоящее время отмечено на графике линией, проходящей через t₀. Сценарий М1 наилучшим образом согласуется с современными астрофизическими наблюдениями. Кривая М2 соответствует сценарию, когда Вселенная начинает расширяться из состояния с ненулевым начальным радиусом Rmin. Периодический сценарий Р соответствует расширению из точки и сжатию обратно в точку. По: (Physics Today, October 2012, p. 38)

Нобелевский предтеча

В книге «Мир как пространство и время», увидевшей свет в 1923 году, сам Фридман рассказывает о Большом взрыве: «Переменный тип Вселенной представляет большое разнообразие случаев; для этого типа возможны случаи, когда радиус кривизны мира, начиная с некоторого значения, постоянно возрастает с течением времени; возможны далее случаи, когда радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается в точку (в ничто), затем снова из точки доводит радиус свой до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку и т. д.».

И, наверное, неожиданно для многих своих читателей Фридман обращается к индусской мифологии о периодах жизни, в которой «появляется возможность также говорить о “сотворении мира из ничего”, но все это пока должно рассматриваться как курьезные факты, не могущие быть солидно подтвержденными недостаточным астрономическим материалом». «Бесполезно, — пишет Фридман, — за отсутствием надежных астрономических данных приводить какие-либо цифры, характеризующие ““жизни” переменной Вселенной; если все же начать подсчитывать ради курьеза время, прошедшее от момента, когда Вселенная создавалась из точки, до теперешнего ее состояния, начать определять, следовательно, время, прошедшее от создания мира, то получатся числа в десятки миллиардов наших обычных лет».

В 1924 году Фридман предлагает еще одну революционную идею о возможности существования динамической Вселенной с отрицательной кривизной, а значит, бесконечной по объему и неограниченной в пространстве.

Спустя десятилетия космические наблюдения подтвердили, что один из трех сценариев развития космоса, предложенных Фридманом в 1922–1924 годов, оответствует действительности. Трем американским астрономам, обнаружившим ускоренное расширение Вселенной, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2011 год. При обосновании важности этого открытия Шведская королевская академия наук сослалась на работы Фридмана.

Гений и революция

Александр Александрович Фридман родился в Санкт-Петербурге в семье артиста кордебалета Императорских Санкт-Петербургских театров и пианистки. Однако маленький Александр с ранних лет увлекался математикой. В школьные и студенческие годы к этому добавилось еще и увлечение астрономией. В 1906 году Александр Фридман окончил с золотой медалью Вторую Санкт-Петербургскую гимназию и поступил на математическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. В том же году 18-летний Александр опубликовал свою первую математическую работу в одном из ведущих научных журналов Германии «Математические анналы» (Mathematische Annalen). Его учителем был блестящий математик Владимир Андреевич Стеклов, имя которого носит сейчас Математический институт Академии наук. 

Еще будучи студентом, Фридман написал ряд работ, из которых одна — «Исследование неопределенных уравнений второй степени» — в 1909 году была удостоена золотой медали. В 1910 году Александр окончил Санкт-Петербургский университет и по рекомендации Стеклова был оставлен на кафедре чистой и прикладной математики для подготовки к профессорскому званию. А весной 1913-го, после сдачи магистерских экзаменов, он поступил на работу в Аэрологическую обсерваторию Российской академии наук в Павловске под Петербургом и стал заниматься изучением способов наблюдения атмосферы, динамической метеорологией (теперь эту область науки называют геофизической гидродинамикой). Кроме синоптики и динамической метеорологии ему пришлось ознакомиться с теорией земного магнетизма. Скоро он стал выдающимся специалистом в метеорологии и смежных областях. В 1913 году Фридман напечатал в «Географическом сборнике» очень важную работу «О распределении температуры воздуха с высотою». 

Весной 1914 года Фридман был направлен на стажировку в Лейпциг, где в это время жил известный норвежский метеоролог Вильгельм Фриман Корен Бьеркнес, создатель теории фронтов в атмосфере. Летом того же года Фридман летал на дирижаблях, принимая участие в подготовке к наблюдению солнечного затмения в августе 1914 года. С началом Первой мировой войны Фридман вступил добровольцем в авиационный отряд. В 1914–1917 годах он участвовал в организации аэронавигационной и аэрологической службы на Северном, Юго-Западном и других фронтах. Фридман многократно участвовал в качестве летчика-наблюдателя в боевых полетах, в разведывательных операциях.

Освоив профессию летчика, Фридман стал преподавать в школе авиаторов в Киеве. В 1917 году его приглашают для чтения лекций в Киевский университет, а затем он переезжает в Москву, где становится основателем и первым директором завода «Авиаприбор» — первого авиаприборостроительного предприятия в России. Но война подорвала его здоровье, у Фридмана обнаружилась болезнь сердца. Врачи не советовали Фридману жить в Петрограде, куда он хотел было переехать, и он выбрал Пермь. В ноябре 1917-го он подает заявление об участии в конкурсе, а 13 апреля 1918 года занимает должность экстраординарного профессора кафедры механики Пермского университета. До 1920 года профессор Александр Фридман работал проректором Пермского университета, читал курсы дифференциальной геометрии и физики.

В 1920 году Фридман возвращается в Петроград и начинает работать в геофизической обсерватории, а через пять лет становится ее директором. Основной его интерес в то время сосредоточен на аэродинамике и теории турбулентности. О научном энтузиазме и энергии Фридмана говорит такой факт: в июле 1925 года он участвует в рискованном полете на стратостате с целью сбора данных о состоянии атмосферы на больших высотах. Достигнув высоты 7400 метров, он сам и пилот Федосеенко оказываются на волосок от гибели из-за нехватки кислорода.

Основной труд Фридмана по гидромеханике — «Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости» (1922). В нем он дал наиболее полную теорию вихревого движения в жидкости, рассмотрел, а для ряда случаев решил важную проблему — возможные движения сжимаемой жидкости при действии на нее определенных сил. Это фундаментальное исследование позволяет считать Фридмана одним из создателей теории сжимаемых жидкостей. В той же работе Фридман вывел общее уравнение для определения скорости вихря, которое приобрело фундаментальное значение в теории прогноза погоды.

Весной 1922 года в главном физическом журнале того времени Zeitschrift fur Physik появилось обращение «К немецким физикам». Правление Германского физического общества извещало о трудном положении коллег в России, которые с начала войны не получали немецких журналов. Поскольку лидирующее положение в тогдашней физике занимали немецкоязычные ученые, речь шла о многолетнем информационном голоде. Немецких физиков просили направлять по указанному адресу публикации последних лет, с тем чтобы потом переслать их в Петроград. Именно в этом журнале, всего двадцатью пятью страницами ниже, была помещена статья, полученная из Петрограда и на первый взгляд противоречащая призыву о помощи. Имя автора — Александр Фридман — физикам было неизвестно. Его статья «О кривизне пространства» касалась общей теории относительности. Точнее, ее самого грандиозного приложения: космологии.

Эйнштейн и судьба

Появившаяся в 1905 году специальная теория относительности была хорошо известна в России. Но статья Эйнштейна, написанная в 1915-м, в которой он сформулировал принципы общей теории относительности, из-за Первой мировой войны дошла до российских ученых с запозданием. Вскоре после окончания войны сообщения об этой теории и о подтверждающих ее наблюдениях солнечного затмения, проведенных Артуром Эддингтоном в мае 1919 года, наконец дошли до России и были с энтузиазмом восприняты научной общественностью.

С 1921 года возобновляется доставка европейских научных публикаций в Россию, и российские ученые получают доступ к необходимой литературе. Кроме того, ценную информацию о новой теории привозит в Петроград физик Всеволод Фредерикс, знавший о ней фактически из первых рук. Во время войны он был интернирован в Германию в качестве «гражданского пленного». По разрешению немецких властей Фредерикс работал в Геттингене ассистентом у Давида Гильберта, в начале 1916 ггода сформулировавшего уравнения общей теории относительности независимо от Эйнштейна, и был очень хорошо знаком с ее принципами.

Всеволод Константинович Фредерикс (1885–1944) — русский физик и геофизик, основатель школы молекулярной физики полимеров и жидких кристаллов Санкт-Петербургского государственного университета

Wikipedia

Фридман очень высоко оценивает работы Эйнштейна. В своей книге «Мир как пространство и время» он напишет: «Теория Эйнштейна оправдывается на опыте; она объясняет старые, казавшиеся необъяснимыми явления и предвидит новые поразительные соотношения. Вернейший и наиболее глубокий способ изучения при помощи теории Эйнштейна геометрии мира и строения нашей Вселенной состоит в применении этой теории ко всему миру и в использовании астрономических исследований. Пока этот метод немногое может дать нам, ибо математический анализ складывает свое оружие перед трудностями вопроса и астрономические исследования не дают еще достаточно надежной базы для экспериментального изучения нашей Вселенной. Но в этих обстоятельствах нельзя не видеть затруднений временных; наши потомки, без сомнения, узнают характер Вселенной, в которой мы обречены жить…»

В тесном сотрудничестве с Фредериксом Фридман и создает свои основополагающие труды по общей теории относительности.

В июне 1922 года Фридман посылает русскоязычный вариант своей работы «О кривизне пространства» в Лейден, нидерландскому физику-теоретику Паулю Эренфесту, который и передает ее для публикации в Zeitschrift für Physik. На статью, вышедшую в свет в июле 1922-го, обращает внимание сам Эйнштейн, что, впрочем, неудивительно — ведь Эренфест был его близким другом.

Оценка Эйнштейном теории Фридмана как «подозрительной» показала, насколько неприемлемой в то время выглядела для него идея об изменяющейся Вселенной. Правильная, по его мнению, теория должна была подтвердить «очевидное» постоянство космоса.

Александр Фридман в двадцатые годы

Wikipedia

В сентябре 1922 года Эйнштейн посылает в Zeitschrift für Physik короткую заметку, в которой высказывает предположение, что Фридман допустил математическую ошибку. В ответном письме, датированном декабрем 1922-го, Фридман приводит свои выкладки более подробно. Однако это письмо попадает в руки адресата только в мае следующего года, когда Эйнштейн возвращается из своего лекционного турне вокруг света.

Месяцем позже коллега Фридмана советский физик Юрий Александрович Крутков встречается с Эйнштейном в доме Эренфеста в Лейдене и дает последние разъяснения. Сразу же после этой встречи Эйнштейн публикует в Zeitschrift für Physik еще одно сообщение, в котором признает математические выкладки Фридмана верными. Правда, в черновике он все-таки отмечает, что «решение не имеет физического смысла», но, поразмыслив, вычеркивает неосторожную ремарку.

Тем не менее должно было пройти еще восемь лет, прежде чем Эйнштейн согласился с идеей расширяющейся Вселенной.

Параллельно Фридман выдвигает еще один аргумент против идеи о замкнутом космосе. По предложению своего давнего друга математика Якова Тамаркина он задается вопросом: имеются ли у уравнений общей теории относительности решения в виде бесконечного по объему гиперболоида с одинаковой отрицательной кривизной в каждой точке пространства?

В своей новой статье, опубликованной в Zeitschrift für Physik в январе 1924-го, он приводит два таких решения: статическое и динамическое. Статическое решение для пространства с отрицательной кривизной, как и решение де Ситтера, требует нулевой плотности вещества во Вселенной, а значит, не представляет физического интереса. В случае динамического решения плотность материи должна быть такой же, как и в варианте с положительной кривизной. Из чего, например, следует, что невозможно определить знак кривизны пространства на основе одного лишь измерения плотности вещества.

К сожалению, эта статья Фридмана также была проигнорирована международным физическим сообществом, включая Эйнштейна.

К несчастью, жизнь Александра Фридмана оборвалась в самом ее разгаре — в сентябре 1925 года он, вернувшись из Крыма, заболевает брюшным тифом и после двух недель борьбы с недугом умирает в возрасте 37 лет.

Жизнь после смерти

В 1927 году бельгийский физик и священник Жорж Леметр переоткрывает уравнения Фридмана и решает их. Он приходит к пониманию, что Вселенная, скорее всего, расширяется. Поэтому он называет свою работу «Об однородной Вселенной с постоянной массой и увеличивающимся радиусом». Но вместо того, чтобы рассмотреть всевозможные сценарии, он выбирает предельный случай монотонного мира — М2 по классификации Фридмана, в котором размер Вселенной логарифмически медленно возрастает от радиуса Эйнштейна до бесконечности. Этот сценарий, как потом выяснилось, не является физически состоятельным.

В 1929 г. Эдвин Хаббл построил график зависимости скорости удаления галактик от расстояния до них и обнаружил, что зависимость носит линейный характер. 

Леметра, опубликовавшего свои открытия в малоизвестном журнале Бельгийской академии наук, ждала судьба Фридмана: никто из корифеев, даже его бывший учитель Артур Эддингтон, не проявляет интереса к его идеям. На конференции в Сольвее в 1927 году Эйнштейн сообщил Леметру, что Фридман уже получил эти решения раньше, и назвал идею расширяющейся Вселенной abominable (буквально: «отвратительной»).

В 1929 году Хаббл оценивает с помощью специальной техники расстояния до 46 галактик и, располагая на графике их скорости, полученные Слайфером, в зависимости от своих расстояний до них, обнаруживает, что полученные точки лежат достаточно близко от прямой. Наклон этой прямой и получает название постоянной Хаббла.

Дольше всех противится новой теории Эйнштейн, но и его мнение постепенно меняется, чему способствуют публикация результатов Хаббла и найденное Эддингтоном в том же году доказательство нестабильности статического решения самого Эйнштейна, даже при наличии положительной космологической постоянной.

В начале 1931 года Эйнштейн отправляется в калифорнийскую обсерваторию Маунт-Вильсон, чтобы лично поговорить с Хабблом и обсудить его результаты. Вернувшись в Берлин, он пишет работу, где признает теорию расширения Вселенной, отмечая приоритет Фридмана.  

Ускоренное расширение Вселенной объяснили самовзаимодействием темной материи

Космологическое ускорение частицы расширяющейся Вселенной (в относительных единицах) в зависимости от масштабного фактора в симуляциях со взаимным отталкиванием частиц темной материи (цветные точки) и в теоретической модели с космологической постоянной (сплошная линия).

Loeve K., Nielsen K. S. & Hansen S. H. / The Astrophysical Journal, 2021

Физики с помощью симуляций протестировали альтернативную модель ускоренного расширения Вселенной — отказались от космологической постоянной и постулировали существование сил отталкивания между частицами темной материи, которые действуют на масштабах порядка мегапарсеков и по величине пропорциональны квадрату дисперсии скоростей. Оказалось, что такой подход позволяет воспроизвести поведение Вселенной в общепринятой модели с космологической постоянной. Статья опубликована в The Astrophysical Journal.

Современные астрофизические наблюдения показывают, что Вселенная расширяется ускоренно — то есть удаленные галактики со временем разлетаются все быстрее. Этот факт требует физической интерпретации, ведь гравитация — взаимодействие, которое считается доминирующим на крупных масштабах, — лишь притягивает объекты друг к другу. В стандартной космологической модели ускоренное расширение описывают при помощи космологической постоянной — величины, которая описывает плотность энергии чистого вакуума (темной энергии) в уравнениях Общей теории относительности и обеспечивает отталкивание между далекими объектами.

Такой подход удобен, поскольку позволяет объяснять наблюдения, постулируя в модели всего один числовой параметр, однако у него есть и существенные недостатки. Так, космологическую постоянную приходится подбирать на основе самих же наблюдений и не удается вычислить независимо — например, в рамках квантовых представлений энергия вакуума оказывается на множество порядков выше, или вообще не может быть предсказана.

Это мотивирует ученых придумывать альтернативные модели, которые объясняли бы ускоренное расширение Вселенной, но не привлекали для этого космологической постоянной. Некоторые физики предлагают модифицировать теорию гравитации, другие — предположить, что расширение Вселенной неоднородно, а мы просто оказались в области, которая расширяется быстрее среднего, третьи — отказаться от ускоренного расширения как такового и искать ошибку в измерениях, которые о нем свидетельствуют. Тем не менее модель с космологической постоянной пока остается предпочтительной.

Физики из Института Нильса Бора под руководством Стина Хансена (Steen Hansen) предложили и проанализировали еще одно объяснение ускоренному расширению Вселенной. Авторы предположили, что темная материя, помимо гравитационного притяжения друг к другу и обычным частицам, испытывает еще и силу самоотталкивания, которая проявляется на межгалактических масштабах (порядка мегапарсеков).

Эту силу исследователи положили пропорциональной квадрату дисперсии скоростей частиц в галактиках (что делает ее в некотором смысле похожей на магнитную силу Лоренца между движущимися заряженными частицами) и обратно пропорциональной квадрату расстояния между разлетающимися галактиками (подобно гравитационной или кулоновской силе). Остальные параметры (кроме космологической постоянной, принятой равной нулю) физики позаимствовали из общепринятой модели.

Затем авторы проводили компьютерные симуляции эволюции распределения темной матери в области размером в 96 мегапарсеков, заполненной 2,1×10⁶ частицами массами в 1,6×10⁹ солнечных, между красными смещениями в z=20 и z=0,6 (в стандартной космологии последнее отвечает масштабу, на котором происходит переход от гравитационного замедления к космологическому ускорению). При этом числовой коэффициент, характеризующий величину отталкивания между частицами, исследователи подбирали так, чтобы результаты симуляции наилучшим образом описывались теорией с участием космологической постоянной.

Оказалось, что с помощью альтернативной модели можно воспроизводить прогнозы, которые дает стандартная космология — а значит, вероятно, и объяснять данные наблюдений. При этом, однако, не удается заменить пропорциональность силы квадрату дисперсии скоростей на линейный или кубический закон — оба случая дают существенное расхождение с общепринятой теорией.

Согласованность альтернативных космологических моделей со стандартной: если отталкивание пропорционально первой или третьей степени дисперсии скоростей, наблюдаются существенные расхождения.

Loeve K., Nielsen K. S. & Hansen S. H. / The Astrophysical Journal, 2021

Отмечается, что для серьезного сравнения альтернативной теории со стандартной нужно не просто «подгонять» параметры новой модели под старую, а, наоборот, искать и проверять различия в их прогнозах — на текущий момент, по словам авторов, данные крупномасштабных наблюдений практически не отдают предпочтения ни одной из них, и требуются более детальные исследования.

Кроме того, постулирование самоотталкивания темной материи может стать проблемой на меньших масштабах — например, в галактиках или галактических кластерах: если отталкивание будет сильнее гравитационного притяжения, то альтернативная модель не сможет описать существование таких структур.

За последнее время мы рассказывали и о других альтернативных космологических моделях. Так, в 2018 году британский физик предложил заменить темную материю и темную энергию отрицательной массой, а в 2019 ученые установили, что хамелеонная гравитация наравне с ОТО описывает формирование галактик.

Николай Мартыненко

Почему расширяющаяся Вселенная ускоряется?

То, что растет, должно падать. Мало кто на Земле станет спорить с фундаментальным законом всемирного тяготения. Но сегодня Нобелевская премия по физике 2011 года была присуждена трем ученым, открывшим темную сторону этой силы.

Новые лауреаты Нобелевской премии Сол Перлмуттер и Адам Рисс из США и Брайан Шмидт из Австралии внесли свой вклад в открытие того, что Вселенная не только расширяется, но и ускоряется.

Это открытие привело к появлению широко принятой теории темной энергии, таинственной силы, которая отталкивает гравитацию.Измерения показывают, что темная энергия составляет около 74 процентов вещества Вселенной.

Но более чем через десять лет после открытия, достойного Нобелевской премии, ученые все еще пытаются точно определить, что такое темная энергия, и таким образом решить то, что некоторые эксперты называют «самой глубокой проблемой» в современной физике.

(См. Также «Новые карты галактик, которые помогут найти доказательства темной энергии?»)

Работает ли гравитация по-другому?

До появления темной энергии физики были убеждены, что гравитация должна замедлять скорость расширения Вселенной.

«Когда я подбрасываю ключи в воздух, гравитация Земли заставляет их замедляться и возвращаться ко мне», — сказал Марио Ливио, физик-теоретик из Научного института космического телескопа (STScI) в Мэриленде, во время конференции. Симпозиум Десятилетия Темной Энергии, состоявшийся в 2008 году.

Но, изучая свет далеких сверхновых, астрономы увидели, что родительские галактики разлетаются друг от друга с нарастающей скоростью.

Наблюдение за тем, что скорость расширения Вселенной на самом деле ускоряется, сказал Ливио, как если бы «ключи внезапно взлетели прямо к потолку.«

Пока что одной из самых больших проблем для исследователей темной энергии является соединение наблюдений с теорией.

« У нас есть два известных, совершенно неудовлетворительных объяснения », — сказал Майкл Тернер, космолог из Чикагского университета.

Одна возможность нет темной энергии и гравитация работает иначе, чем думают ученые.

(см. «Кончина темной энергии? Новая теория не использует силу».)

Но «физики консервативны. Мы не хотим отбрасывать нашу теорию гравитации, когда мы могли бы ее исправить », — сказал National Geographic News, лауреат Нобелевской премии Рисс, космолог STScI.

«В основном все сводится к тому, что есть одно относительно простое уравнение, с которым мы работаем для описания Вселенной», — сказал Рисс.

«Поскольку мы видим этот дополнительный эффект, мы можем либо обвинить его в левой части уравнения и сказать, что мы не понимаем гравитацию, либо мы можем обвинить его в правой части и сказать, что есть дополнительный материал . »

Темная энергия — продукт квантового вакуума?

Дополнительный материал — и главный претендент на объяснение темной энергии — это энергия квантового вакуума.

Идея связана с квантовой механикой, которая предсказывает, что даже в космическом вакууме частицы постоянно появляются и исчезают, генерируя энергию.

(Связано: «Темная материя — это иллюзия, согласно новой теории антигравитации»)

Уловка заключается в том, что никому не удалось объединить математику, используемую в квантовой механике, которая описывает физику очень малых, с уравнения общей теории относительности, которые имеют дело с крупномасштабными взаимодействиями.

«Эти две теории используют два разных набора сводов правил, [и] мы всегда знали, что эти две книги несовместимы», — сказал Рисс.

К сожалению, «темная энергия — один из немногих случаев в природе, который действительно требует от нас [каким-то образом] использовать оба набора правил».

(Связано: «Гравитация Эйнштейна подтверждена в космических масштабах»)

Измерение растянутого света сверхновых

Чтобы помочь разгадать загадку, НАСА и Министерство энергетики США планировали провести Совместную миссию по темной энергии (JDEM), первая программа, специально разработанная для изучения темной энергии.

Но в десятилетнем обзоре Национального исследовательского совета за 2010 год JDEM не рекомендовался к финансированию.Вместо этого NRC оценило широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST), запуск которого запланирован на 2020 год, как лучшую миссию для решения важных вопросов как в исследованиях темной энергии, так и в исследованиях экзопланет.

Между тем, текущие миссии НАСА уже сыграли ключевую роль в измерении темной энергии, сказал Майкл Саламон, научный сотрудник программы НАСА «Физика космоса».

«С одной стороны, космический телескоп Хаббл повлиял на темную энергию благодаря измерениям сверхновых», — сказал Саламон.

Исследователи впервые наблюдали ускоренное расширение, изучая сверхновые типа Ia — взрывную смерть белых карликов. (Связано: «Найдены звезды« Танца смерти »- могут помочь доказать правоту Эйнштейна».)

Астрономы знают, что каждый взрыв типа Ia имеет примерно одинаковую яркость.

По мере того, как свет от самых далеких взрывов приближается к Земле, он растягивается из-за расширения Вселенной, так что он становится красным — явление, известное как красное смещение. Чем выше красное смещение, тем дольше проходит свет и тем дальше во времени произошла сверхновая.

Изучение как можно большего количества сверхновых может помочь исследователям измерить, насколько быстро галактики удаляются друг от друга.

Исследования сверхновых позволили ученым увидеть, что темная энергия воздействует на галактики еще девять миллиардов лет назад. (См. «Таинственная темная энергия существовала большую часть времени, говорят ученые.»)

Другие группы ищут еще более ранние ключи к разгадке космического микроволнового фона, оставшегося от Большого взрыва излучения, которое, как полагают, произошло около 13 лет.7 миллиардов лет назад.

В 2003 году зонд Уилкинсона для микроволновой анизотропии НАСА создал первую полную карту раннего микроволнового неба с беспрецедентной детализацией.

По существу, оглядываясь назад во времени, WMAP обнаружил крошечные ряби плотности, которые были семенами сегодняшних галактик, сказала Лисия Верде, астрофизик из Института космических наук в Беллатерре, Испания, во время симпозиума 2008 года.

«Это космическая симфония. Вы действительно видите звук, [и] звук может помочь вам понять, как был создан инструмент», — сказал Верде.(По теме: «Так ли звучал Большой взрыв?»)

А в 2005 году астрономы обнаружили, что звуковые волны, проходящие через первичную плазму через 400 000 лет после Большого взрыва, оставили отпечатки в современных близлежащих галактиках.

Эти так называемые барионные акустические колебания предлагают еще один критерий для измерения скорости расширения Вселенной с течением времени и ограничения ценности темной энергии.

Тайна темной энергии сохраняется

В конечном итоге, по словам экспертов, для разгадки тайны понадобятся данные из комбинации методов.

«Игра состоит в том, чтобы сделать больше измерений в истории расширения Вселенной, сделать каждое из них более точным и ужесточить модель для понимания того, как работает темная энергия», — сказал Рисс из STScI.

Ключевой целью экспериментов является измерение отношения плотности энергии к давлению во Вселенной, обозначаемого буквой w.

Это значение говорит физикам, «какой гравитацией обладает материал — отталкивающим или притягивающим — и насколько он силен», — сказал Рисс.

«Если [темная энергия] — это энергия вакуума, то w будет всегда и точно равно -1», открытие, которое соответствует квантовым предсказаниям с общей теорией относительности.

В противном случае, возможно, пора переписать правила.

Лоуренс Краусс, физик-теоретик из Университета штата Аризона, отметил на симпозиуме STScI, что большинство наблюдений в настоящее время показывают, что значение w довольно близко к -1.

Для теоретиков, — пошутил он, — «измерение w… поэтому не скажет нам ничего, чего мы еще не знаем.Новые окна «

Но» преподносят нам новые сюрпризы. Вы должны делать то, что можете, потому что не знаете, откуда придет ответ ».

В этом месяце в истории физики

Январь 1998 г .: Ускоряющееся расширение Вселенной

В середине 1990-х гг. две конкурирующие команды начали наблюдать сверхновые звезды с целью определить скорость, с которой расширение Вселенной замедляется. К всеобщему удивлению, они обнаружили прямо противоположное: расширение не замедлялось, а ускорялось под действием таинственная невидимая сила.В начале 1998 года исследователи объявили об этих странных результатах, всколыхнувших астрофизику.

В 1917 году, когда он разрабатывал свою общую теорию относительности, Эйнштейн добавил к своим уравнениям произвольный постоянный член, чтобы сделать Вселенную статичной и неизменной, как тогда считалось. Без этого термина изначально статическая конфигурация материи во Вселенной имела бы тенденцию стягиваться вместе под действием силы тяжести; космологическая постоянная была необходима, чтобы противодействовать этой тенденции и удерживать Вселенную от коллапса.

Однако в 1929 году Эдвин Хаббл взглянул на красные смещения далеких галактик и обнаружил, что скорость, с которой объект удаляется от нас, пропорциональна расстоянию от этого объекта до нас. Вселенная действительно расширялась, а вовсе не статично. Космологическая постоянная выглядела ненужной, и Эйнштейн отказался от нее, назвав это своей величайшей ошибкой.

После открытия Хаббла в течение следующих нескольких десятилетий большинство ученых считали, что космологической постоянной не существует.Предполагалось, что материя преобладает во Вселенной и в конечном итоге приведет к замедлению расширения. В зависимости от того, сколько материи было во Вселенной, она может в конечном итоге схлопнуться в результате сильного сжатия или продолжать расширяться вечно, но все более и более медленнее.

Исследования были сосредоточены на выяснении истории расширения Вселенной по очень далеким объектам. Сравнение красного смещения этих объектов с их расстоянием дает представление о том, насколько быстро расширяется Вселенная.

Но получить точное расстояние до далеких объектов сложно. Один из способов сделать это — найти так называемые стандартные свечи, объекты, внутренняя яркость которых известна и, таким образом, может быть сравнена с их видимой яркостью, чтобы определить расстояние до нас. Сверхновые типа Ia и являются такими объектами. Они возникают, когда белый карлик, который является частью двойной системы, притягивает некоторую дополнительную массу от своей звезды-компаньона. Когда белый карлик достигает определенной массы (около 1.В 4 раза больше массы Солнца), он взрывается. Эти сверхновые звезды очень яркие и видны на расстоянии миллиардов световых лет. Поскольку все сверхновые типа Ia взрываются при достижении одинаковой массы, из них получаются хорошие стандартные свечи. К середине 1980-х годов эти редкие события начали обнаруживать автоматизированные поисковые системы.

В конце 1980-х группа под названием Supernova Cosmology Project, возглавляемая Солом Перлмуттером из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, начала поиск сверхновых типа Ia.

Начиная с середины 1990-х, вторая группа под названием «Поиск сверхновых с высоким Z», возглавляемая Брайаном Шмидтом из Австралийского национального университета и Адамом Риссом из Научного института космического телескопа, работала над конкурирующими усилиями.

Исследовательские группы использовали как наземные телескопы, так и космический телескоп Хаббла в гонке, чтобы найти сверхновые звезды в миллиардах световых лет от нас и использовать их для измерения (предполагаемого) замедления расширения Вселенной.

К концу 1997 года данные по сверхновым накапливались, и обе группы заметили, что далекие сверхновые стали слабее, чем ожидалось, что указывает на то, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется, а не замедляется.

В январе 1998 года на пресс-конференции, состоявшейся во время заседания Американского астрономического общества в Вашингтоне, округ Колумбия, команда проекта Supernova Cosmology Project объявила, что они проанализировали 40 сверхновых и обнаружили, что расширение Вселенной будет продолжаться вечно, и что данные можно объяснить космологической постоянной.

После той пресс-конференции один репортер уловил невероятную новость о том, что есть признаки ускоряющегося расширения и таинственная сила, которая все быстрее раздвигает Вселенную, в то время как большинство просто сообщило, что большого кризиса не будет.

В феврале команда High-Z представила на конференции свои данные о сверхновых, которые также показали, что расширение Вселенной ускоряется. Теперь стало ясно, что Вселенную раздвигает какая-то странная невидимая сила антигравитации.Обе команды вскоре опубликовали статьи в реферируемых журналах. Эти результаты полностью противоречили ожиданиям всех, но, поскольку две конкурирующие команды пришли к одинаковому шокирующему результату, к ним пришлось отнестись серьезно.

Позже в том же году космолог Майкл Тернер ввел термин «темная энергия» для описания таинственной силы по аналогии с невидимой темной материей, которая составляет большую часть материи во Вселенной. Журнал
Science назвал ускоряющуюся Вселенную «Прорывом года» в декабре 1998 года.

Теперь, более чем через десять лет после открытия, дальнейшие результаты подтвердили, что расширение Вселенной ускоряется, но причудливая темная энергия остается загадкой.

Одним из кандидатов на роль темной энергии является космологическая постоянная, как и предсказывал Эйнштейн (хотя и с другим значением). Квантовая теория предсказывает, что флуктуации вакуума, виртуальные частицы, которые то появляются, то исчезают, дают энергию пустому пространству. К сожалению, плотность энергии, связанная с этими вакуумными флуктуациями, согласно теоретическим расчетам, на колоссальные 120 порядков превышает плотность энергии, измеренную космологами.Были сделаны и другие предположения относительно темной энергии, и продолжаются дальнейшие исследования, но по большей части ученые остаются в неведении.

История физики

Этот месяц в истории физики
Новости APS Архив

Инициатива исторических мест
Места и детали исторических физических событий

Вселенная расширяется так быстро, что нам может понадобиться новая физика, чтобы это объяснить

Вселенная расширяется быстрее, чем ожидалось, предполагая, что астрономам, возможно, придется включить некоторые новые физические данные в свои теории о том, как устроен космос, сообщает новое исследование.

Согласно новому исследованию, пересмотренная скорость расширения примерно на 10% выше, чем предсказанная в результате наблюдений траектории Вселенной вскоре после Большого взрыва . Исследование также значительно снижает вероятность того, что это несоответствие является совпадением, с 1 из 3000 до 1 из 100000.

«Это несоответствие растет и теперь достигло точки, которую действительно невозможно отклонить как случайность», — сказал в своем заявлении ведущий автор исследования Адам Рисс, профессор физики и астрономии Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, .

«Это не то, что мы ожидали», — сказал Рисс, получивший Нобелевскую премию по физике в 2011 году (вместе с Брайаном Шмидтом и Солом Перлмуттером) за то, что в конце 1990-х показал, что расширение Вселенной ускоряется. Неясно, что является движущей силой этого удивительного ускорения, но многие астрономы используют загадочную силу отталкивания, называемую темной энергией .

Связано: Вселенная: Большой взрыв к настоящему времени за 10 простых шагов

На этой иллюстрации показаны три основных шага, которые астрономы используют для расчета скорости расширения Вселенной с течением времени, значение, называемое постоянной Хаббла.Все шаги включают построение прочной «лестницы космических расстояний», начиная с точного измерения расстояний до ближайших галактик, а затем продвигаясь к галактикам все дальше и дальше. Эта лестница представляет собой серию измерений различных типов астрономических объектов с внутренней яркостью, которые исследователи могут использовать для расчета расстояний. (Изображение предоставлено NASA, ESA и A. Feild (STScI))

В новом исследовании Рис и его коллеги использовали космический телескоп Хаббла для изучения 70 переменных звезд-цефеид в Большом Магеллановом Облаке (БМО), одном из галактики-спутники Млечного Пути.Переменные цефеиды тускнеют и светлеют с предсказуемой скоростью и поэтому являются «стандартными свечами», которые позволяют астрономам рассчитывать расстояния.

(Другой тип стандартных свечей, звездные взрывы, известные как сверхновые типа 1a, позволяют ученым измерять расстояния даже дальше в космос. Исследования Рисс, Шмидта и Перлмуттера сверхновых типа 1a привели к их открытию, удостоенному Нобелевской премии.)

Рисс и его команда также включили наблюдения, сделанные в рамках проекта Араукария, в котором участвовали исследователи из США, Европы и Чили, которые изучали различные двойные звездные системы LMC, отмечая затемнение, которое происходило, когда одна звезда проходила перед своим соседом.Эта работа предоставила дополнительные измерения расстояний, что помогло исследовательской группе лучше понять внутреннюю яркость цефеид.

Исследователи использовали всю эту информацию для расчета современной скорости расширения Вселенной, известной как постоянная Хаббла , в честь американского астронома Эдвина Хаббла. Новое число составляет около 46,0 миль (74,03 км) в секунду на мегапарсек; один мегапарсек — это примерно 3,26 миллиона световых лет.

Погрешность, связанная с этим числом, равна 1.9%, заявили исследователи. Это самое низкое значение неопределенности на сегодняшний день, которое было рассчитано с использованием этого подхода — по сравнению с примерно 10% в 2001 году и 5% в 2009 году.

«Ожидаемая» скорость расширения, напротив, составляет около 41,9 миль (67,4 км) на секунда на мегапарсек . Эта прогнозируемая скорость основана на наблюдениях, сделанных европейским спутником Planck на космическом микроволновом фоне — свете, оставшемся от Большого взрыва, который создал Вселенную 13,82 миллиарда лет назад.

«Это не просто два несовпадающих эксперимента. Мы измеряем нечто принципиально иное», — сказал Рисс.

«Один — это измерение того, насколько быстро Вселенная расширяется сегодня, как мы ее видим. Другой — прогноз, основанный на физике ранней Вселенной и на измерениях того, насколько быстро она должна расширяться», — добавил он. «Если эти ценности не совпадают, возникает очень большая вероятность того, что мы упускаем что-то в космологической модели, связывающей две эпохи.»

Новое исследование было опубликовано сегодня (25 апреля) в журнале The Astrophysical Journal . Вы можете бесплатно прочитать его на сайте препринтов arXiv.org .

Книга Майка Уолла о поисках инопланетной жизни, « Out There » (Grand Central Publishing, 2018; проиллюстрировано Karl Tate ) сейчас отсутствует. Следуйте за ним в Twitter @michaeldwall . Следите за нами в Twitter @Spacedotcom или Facebook .

Темная энергия, темная материя | Управление научной миссии

В начале 1990-х годов одно было совершенно очевидно относительно расширения Вселенной. У него может быть достаточно плотности энергии, чтобы остановить его расширение и повторное сжатие, у него может быть настолько низкая плотность энергии, что он никогда не перестанет расширяться, но гравитация наверняка замедлит расширение с течением времени. Конечно, замедления не наблюдалось, но, теоретически, Вселенная должна была замедляться. Вселенная полна материи, и сила притяжения притяжения объединяет все вещества.Затем наступил 1998 год и наблюдения очень далеких сверхновых с помощью космического телескопа Хаббла (HST) показали, что давным-давно Вселенная на самом деле расширялась медленнее, чем сегодня. Таким образом, расширение Вселенной не замедлялось из-за гравитации, как все думали, оно ускорялось. Этого никто не ожидал, никто не знал, как это объяснить. Но что-то было причиной этого.

В конце концов теоретики пришли к трем объяснениям. Возможно, это было результатом давно отвергнутой версии теории гравитации Эйнштейна, которая содержала так называемую «космологическую постоянную».«Может быть, это был какой-то странный вид энергетической жидкости, заполнившей пространство. Может быть, что-то не так с теорией гравитации Эйнштейна, и новая теория могла бы включать какое-то поле, которое создает это космическое ускорение. Теоретики до сих пор не знают, какое правильное есть объяснение, но они дали этому решению имя. Оно называется темной энергией.

Что такое темная энергия?

Больше неизвестно, чем известно. Мы знаем, сколько там темной энергии, потому что знаем, как она влияет на расширение Вселенной.В остальном это полная загадка. Но это важная загадка. Оказывается, примерно 68% Вселенной — это темная энергия. Темная материя составляет около 27%. Остальное — все на Земле, все, что когда-либо наблюдалось всеми нашими приборами, вся обычная материя — составляет менее 5% Вселенной. Если подумать, может быть, это вообще не следует называть «нормальной» материей, поскольку это такая малая часть Вселенной.

Эта диаграмма показывает изменения в скорости расширения с момента рождения Вселенной 15 миллиардов лет назад.Чем полегче кривая, тем выше скорость расширения. Кривая заметно изменилась примерно 7,5 миллиардов лет назад, когда объекты во Вселенной начали разлетаться быстрее. Астрономы предполагают, что более высокая скорость расширения связана с таинственной темной силой, которая разрывает галактики.

Авторы и права: NASA / STSci / Ann Feild

Одно из объяснений темной энергии состоит в том, что это свойство пространства. Альберт Эйнштейн был первым, кто понял, что пустое пространство — это не ничто.Космос обладает удивительными свойствами, многие из которых только начинают изучаться. Первое свойство, обнаруженное Эйнштейном, заключается в том, что возможно появление большего пространства. Затем одна версия теории гравитации Эйнштейна, содержащая космологическую постоянную, делает второе предсказание: «пустое пространство» может обладать собственной энергией. Поскольку эта энергия является свойством самого пространства, она не будет разбавляться при расширении пространства. Чем больше пространства появляется, тем больше и больше этой энергии пространства.В результате эта форма энергии заставит Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. К сожалению, никто не понимает, почему космологическая постоянная вообще должна присутствовать, не говоря уже о том, почему она имеет именно то значение, которое вызывает наблюдаемое ускорение Вселенной.

На этом изображении показано распределение темной материи, галактик и горячего газа в ядре сливающегося скопления галактик Abell 520. Результат может бросить вызов основным теориям темной материи.

Другое объяснение того, как пространство приобретает энергию, исходит из квантовой теории материи. Согласно этой теории, «пустое пространство» на самом деле заполнено временными («виртуальными») частицами, которые постоянно образуются, а затем исчезают. Но когда физики попытались подсчитать, сколько энергии это даст пустому пространству, ответ оказался неверным — во многом неверным. Число получилось в 10 ¹²⁰ раз больше. Это единица со 120 нулями после нее. Трудно получить настолько плохой ответ.Так что загадка продолжается.

Другое объяснение темной энергии состоит в том, что это новый вид динамической энергетической жидкости или поля, чего-то, что заполняет все пространство, но что-то, чье влияние на расширение Вселенной противоположно влиянию материи и нормальной энергии. Некоторые теоретики назвали эту «квинтэссенцию» в честь пятого элемента греческих философов. Но если квинтэссенция является ответом, мы все еще не знаем, на что она похожа, с чем она взаимодействует и почему существует. Так что загадка продолжается.

Последняя возможность состоит в том, что теория гравитации Эйнштейна неверна. Это не только повлияет на расширение Вселенной, но также повлияет на поведение нормальной материи в галактиках и скоплениях галактик. Этот факт дал бы возможность решить, является ли решение проблемы темной энергии новой теорией гравитации или нет: мы могли бы наблюдать, как галактики объединяются в скопления. Но если окажется, что нужна новая теория гравитации, что это будет за теория? Как он мог правильно описать движение тел в Солнечной системе, как, как известно, делает теория Эйнштейна, и при этом дать нам другое предсказание для Вселенной, которое нам нужно? Есть кандидатские теории, но ни одна из них не является убедительной.Так что загадка продолжается.

Что нужно для выбора между возможностями темной энергии — свойством пространства, новой динамической жидкостью или новой теорией гравитации — это больше данных, более точные данные.

Что такое темная материя?

Подгоняя теоретическую модель состава Вселенной к объединенному набору космологических наблюдений, ученые пришли к описанному выше составу: ~ 68% темной энергии, ~ 27% темной материи, ~ 5% нормального вещества.Что такое темная материя?

Мы гораздо более уверены в том, чем не является темная материя, чем в том, чем она является. Во-первых, он темный, что означает, что он не в форме звезд и планет, которые мы видим. Наблюдения показывают, что во Вселенной слишком мало видимой материи, чтобы покрыть 27%, необходимые для наблюдений. Во-вторых, это не темные облака нормальной материи, состоящей из частиц, называемых барионами. Мы знаем это, потому что мы могли бы обнаруживать барионные облака по их поглощению проходящего через них излучения.В-третьих, темная материя не является антивеществом, потому что мы не видим уникальных гамма-лучей, которые образуются при аннигилировании антивещества с материей. Наконец, мы можем исключить большие черные дыры размером с галактику на основе того, сколько гравитационных линз мы видим. Высокие концентрации вещества искривляют свет, проходящий рядом с ними, от более удаленных объектов, но мы не видим достаточно событий линзирования, чтобы предположить, что такие объекты составляют необходимый 25% -ный вклад темной материи.

Одно из самых сложных и драматических столкновений между скоплениями галактик, когда-либо виденных, запечатлено на этом новом составном изображении Abell 2744.Синим цветом показана карта общей массовой концентрации (в основном темной материи).

Однако на данный момент есть еще несколько жизнеспособных возможностей темной материи. Барионная материя все еще могла бы составлять темную материю, если бы вся она была связана коричневыми карликами или небольшими плотными кусками тяжелых элементов. Эти возможности известны как массивные компактные гало-объекты или «МАЧО». Но наиболее распространено мнение, что темная материя вовсе не барионная, а состоит из других, более экзотических частиц, таких как аксионы или WIMPS (слабовзаимодействующие массивные частицы).

Исследователи были удивлены, когда они обнаружили галактику NGC 1052-DF2, в которой отсутствует большая часть, если не вся темная материя.

Недавние открытия

Нобелевская премия за открытие ускоряющейся Вселенной; загадочное происхождение до сих пор неизвестно

Нобелевская премия по физике 2011 года была присуждена трем ученым: Саулу Перлмуттеру, Брайану Шмидту и Адаму Риссу.Наблюдения далеких взрывающихся звезд привели их к поразительному открытию: расширение Вселенной ускоряется. Это открытие заложило основу для идеи о том, что таинственная сила, называемая темной энергией, которая составляет 75 процентов Вселенной — но никогда не была обнаружена — подпитывает ускорение.

Перлмуттер, исследователь из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета, возглавлял проект по космологии сверхновых, наблюдения за которым начались в 1988 году.Шмидт из Австралийского национального университета основал команду по поиску сверхновых с высоким Z в 1994 году; Позже к нему присоединились Рис из Университета Джона Хопкинса и Научного института космического телескопа, сыгравшие решающую роль в наблюдениях.

Обе команды обнаружили более 50 сверхновых, свет которых был слабее, чем ожидалось, что свидетельствует не только о том, что Вселенная расширяется, как ожидалось, но и о том, что она расширяется все быстрее. Это открытие стало полной неожиданностью даже для первооткрывателей, а объявление о нем в 1998 году глубоко потрясло наш взгляд на Вселенную.В 2007 году журнал « симметрия » опубликовал сканирование страницы журнала Рисса с данными и примечаниями, которые привели к его открытию, получившему Нобелевскую премию.

«Я очень рад за Адама, Брайана и Сола и команды, которые они возглавляли, — сказал Роджер Бландфорд, директор Института астрофизики элементарных частиц и космологии Кавли при Национальной ускорительной лаборатории SLAC. как подтверждение первоначального предложения, сделанного Альбертом Эйнштейном 94 года назад ».

Несколько исследовательских проектов направлены на выяснение происхождения силы, разделяющей вселенную.Коллаборация SDSS-II, в которую входит Рисс, использовала телескоп Sloan Digital Sky Survey, расположенный в Нью-Мексико, для сбора информации о сверхновых и расширении Вселенной. Ранее в этом году ученые SDSS опубликовали самое большое цветное изображение неба из когда-либо сделанных.

Перлмуттер является участником исследования Dark Energy Survey, которое будет использовать мощную цифровую камеру, установленную на телескопе в Чили, для записи 300 миллионов галактик. Сбор данных начнется в 2012 году. Камера темной энергии, построенная в Fermilab в Батавии, штат Иллинойс., будет вглядываться глубже в небо и открывать больше галактик на больших расстояниях, чем любой предыдущий проект, включая Sloan Digital Sky Survey.

«Происхождение космического ускорения представляет собой глубокую загадку для космологии и фундаментальной физики», — сказал Джошуа Фриман, директор Исследования темной энергии. «Заполнена ли Вселенная гравитационно-отталкивающей темной энергией? Нужна ли нам новая теория гравитации взамен теории Эйнштейна? Обзор темной энергии призван ответить на эти вопросы, измерив 14-миллиардную историю космического расширения с высокой точностью.«

Эта статья симметрии описывает DES более подробно. Там написано:

[The Dark Energy Survey] будет собирать данные о расстояниях сверхновых от Земли; крупномасштабное скопление галактик; обилие массивных скоплений галактик; и искривление света, вызванное галактиками и скоплениями галактик. Ученые DES будут использовать эти четыре метода, чтобы определить, насколько быстро расширяется Вселенная, а также скорость образования галактик и скоплений за космическое время.Два из этих методов дадут ответы, которые не зависят от роли, которую гравитация сыграла в эволюции Вселенной. Два других дадут ответы, которые зависят от теории гравитации.

Другая группа ученых продвигает планы относительно Большого синоптического обзорного телескопа. LSST удовлетворит потребность в большем количестве данных о темной энергии в течение своего предполагаемого 10-летнего срока службы, собрав около 2000 изображений каждой из пяти миллиардов галактик. В проекте LSST около 400 участников, и ожидается, что он вырастет до более чем 1000.Под руководством команды SLAC учреждения, сотрудничающие с LSST со всего мира, работают над деталями для цифровой камеры LSST. Согласно этой статье:

Зеркала LSST будут улавливать и фокусировать звездный свет в самую большую и, возможно, самую дорогую цифровую камеру из когда-либо созданных. Камера LSST высотой шесть футов и весом более 6000 фунтов будет создавать изображения с разрешением 3,2 миллиарда пикселей и в среднем за ночь просмотра около 15 терабайт необработанных данных, или на 25 000 компакт-дисков.Чтобы отобразить одно из изображений полного неба LSST на телевизоре, потребуется не только экран высокой четкости, но и 1500 изображений.

Большая часть первоначального финансирования для запуска LSST поступила из частных источников, в первую очередь из Фонда искусств и науки Чарльза Симони и от основателя Microsoft Билла Гейтса. Согласно долгосрочным планам, основная часть финансирования LSST поступает от Национального научного фонда и Министерства энергетики США.

Курт Рисельманн участвовал в написании этой статьи.

Краткая версия этой статьи впервые появилась в SLAC Today.

Нет, Вселенная не расширяется ускоренными темпами, говорят физики

Еще в 2011 году трем астрономам была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие, что Вселенная не просто расширяется — она ​​расширяется с ускоряющейся скоростью.

Это открытие привело к повсеместному признанию идеи, что в нашей Вселенной доминирует таинственная сила, называемая темной энергией, и навсегда изменило стандартную модель космологии.Но теперь физики ставят под сомнение этот вывод, и у них есть гораздо больший набор данных, подтверждающий их.

В качестве небольшой справки о присуждении Нобелевской премии по физике 2011 года ее поделили космологи Сол Перлмуттер из Калифорнийского университета в Беркли; Адам Рисс из Университета Джона Хопкинса; и Брайан Шмидт из Австралийского национального университета.

В 1990-х годах эти трое ученых входили в состав конкурирующих команд, которые измеряли далекие сверхновые типа 1a — жестокий конец звезды, называемой белым карликом.

Белые карлики состоят из одной из самых плотных форм материи в известной Вселенной, которую превосходят только нейтронные звезды и черные дыры.

Хотя типичный белый карлик лишь немного больше Земли, его масса примерно такая же, как у нашего Солнца. Чтобы представить это в перспективе, вы можете поместить около 1 300 000 Земель внутри Солнца.

А теперь представьте эту невероятно плотную мертвую звезду, которая коллапсирует под тяжестью собственной гравитации. Мы говорим об уровне светимости, который примерно в 5 миллиардов раз ярче Солнца.

Поскольку все сверхновые типа 1a взрываются примерно с одинаковой яркостью, количество излучаемого ими света можно использовать как показатель их расстояния от Земли, а также можно использовать небольшие изменения цвета, чтобы определить, насколько быстро они движущийся.

Когда Перлмуттер, Рис и Шмидт измерили все данные об известных сверхновых типа 1a, зарегистрированные космическим телескопом Хаббл и рядом крупных наземных телескопов, они обнаружили нечто невероятно странное.

Как объяснила Шведская королевская академия утром в день объявления Нобелевской премии в Стокгольме:

«Во Вселенной, в которой преобладает материя, можно было бы ожидать, что гравитация в конечном итоге должна замедлить расширение. Представьте себе полное изумление, когда две группы ученых … обнаружили, что расширение не замедляется, а на самом деле ускоряется.

Сравнивая яркость далеких сверхновых с яркостью близких сверхновых, ученые обнаружили, что далекие сверхновые были примерно на 25 процентов слабее.Они были слишком далеко. Вселенная ускорялась. Итак, это открытие является фундаментальным и вехой в космологии. И вызов для будущих поколений ученых ».

Находка была подтверждена данными, собранными отдельно о таких вещах, как группирование галактик и космический микроволновый фон — слабое послесвечение Большого взрыва.

А ранее в этом году ученые НАСА и ЕКА обнаружили, что Вселенная может расширяться примерно на 8 процентов быстрее, чем первоначально предполагалось.

По общему мнению, открытие было надежным (твердое Нобелевской премии), но оно поставило очень сложный вопрос: если коллективная гравитация всей материи, изгнанной во Вселенную в результате Большого взрыва, все замедляет, как это может ускоряться?

Как сообщил нам Брендан Коул в мае:

«Есть что-то, пронизывающее Вселенную, что физически раздвигает пространство быстрее, чем сила тяжести может объединить все вместе. Эффект небольшой — он заметен только когда вы смотрите на далекие галактики — но он есть.Это стало известно как темная энергия — «темная», потому что никто не знает, что это такое ».

С тех пор, как ученые впервые предложили темную энергию, никто не приблизился к выяснению того, что это может быть на самом деле.

Но теперь международная группа физиков поставила под сомнение возможность расширения Вселенной, и у них есть гораздо большая база данных сверхновых типа 1a, подтверждающая их.

Применяя другую аналитическую модель к сверхновым 740 типа Ia, которые были идентифицированы до сих пор, команда говорит, что они смогли учесть тонкие различия между ними, как никогда раньше.

Они говорят, что статистические методы, использованные первоначальной командой, были слишком упрощенными и основывались на модели, разработанной в 1930-х годах, которая не может быть надежной применимой к растущему набору данных о сверхновых.

Они также упоминают, что космический микроволновый фон не зависит напрямую от темной энергии, поэтому служит только «косвенным» свидетельством.

«Мы проанализировали последний каталог 740 сверхновых типа Ia — более чем в 10 раз больше, чем исходные образцы, на которых было основано заявление об открытии — и обнаружили, что доказательства ускоренного расширения — это самое большее, что физики называют« 3 сигма » , — сообщает ведущий исследователь Субир Саркар из Оксфордского университета.

«Это далеко не соответствует стандарту« 5 сигм », необходимому для признания открытия фундаментальной важности».

Вместо того, чтобы найти доказательства, подтверждающие ускоренное расширение Вселенной, Саркар и его команда говорят, что похоже, что Вселенная расширяется с постоянной скоростью. Если это действительно так, значит, нам не нужна темная энергия, чтобы это объяснить.

«Более сложная теоретическая основа, объясняющая наблюдение, что Вселенная не совсем однородна и что ее материя может не вести себя как идеальный газ — два ключевых предположения стандартной космологии — вполне может быть в состоянии объяснить все наблюдения без требует темной энергии », — говорит он.

Теперь, чтобы прояснить, это всего лишь одно исследование, и это большое, чрезвычайно спорное утверждение, что открытие, получившее Нобелевскую премию, в корне неверно. (Потому что мне не нужно говорить вам, что Нобелевские премии присуждаются нелегко.)

Но репликация результатов — это все в науке, и если у нас есть больший набор данных, чем мы делали пять лет назад, мы следует использовать его для поддержки или исправления предыдущих открытий.

Теперь вопрос заключается в том, применила ли команда Саркара свою новую статистическую модель к данным таким образом, чтобы это лучше всего отражало науку, и, вероятно, это побудит многих физиков выяснить, что правильно — ускоряющаяся Вселенная или постоянная Вселенная. .

«Естественно, потребуется много работы, чтобы убедить физическое сообщество в этом, но наша работа служит для демонстрации того, что ключевой столп стандартной космологической модели довольно шаткий», — говорит Саркар.

«Надеюсь, это послужит стимулом для лучшего анализа космологических данных, а также вдохновит теоретиков на исследование более тонких космологических моделей».

Исследование опубликовано в научных отчетах.

Вселенная расширяется с ускоряющейся скоростью, или это так? — ScienceDaily

Пять лет назад Нобелевская премия по физике была присуждена трем астрономам за их открытие в конце 1990-х, что Вселенная расширяется ускоренными темпами.

Их выводы были основаны на анализе сверхновых типа Ia — впечатляющего термоядерного взрыва умирающих звезд — обнаруженного космическим телескопом Хаббл и большими наземными телескопами. Это привело к широко распространенному мнению о том, что во Вселенной преобладает таинственная субстанция под названием «темная энергия», которая движет ускоряющимся расширением.

Теперь группа ученых во главе с профессором Субиром Саркаром с физического факультета Оксфордского университета поставила под сомнение эту стандартную космологическую концепцию.Используя значительно увеличенный набор данных — каталог из 740 сверхновых типа Ia, что более чем в десять раз превышает исходный размер выборки — исследователи обнаружили, что доказательства ускорения могут быть более ненадежными, чем считалось ранее, при этом данные согласуются с постоянная скорость расширения.

Исследование опубликовано в журнале Nature Scientific Reports .

Профессор Саркар, который также работает в Институте Нильса Бора в Копенгагене, сказал: «Открытие ускоряющегося расширения Вселенной получило Нобелевскую премию, премию Грубера по космологии и премию за прорыв в фундаментальной физике.Это привело к широкому распространению идеи о том, что во Вселенной преобладает «темная энергия», которая ведет себя как космологическая постоянная — теперь это «стандартная модель» космологии.

‘Однако сейчас существует гораздо большая база данных по сверхновым, по которой можно проводить строгий и подробный статистический анализ. Мы проанализировали последний каталог 740 сверхновых типа Ia — более чем в десять раз больше, чем исходные образцы, на которых было основано заявление об открытии — и обнаружили, что доказательства ускоренного расширения — это самое большее, что физики называют «3 сигма».«Это далеко от стандарта« 5 сигм », необходимого для признания открытия фундаментального значения.

‘Аналогичным примером в этом контексте может быть недавнее предложение о новой частице с массой 750 ГэВ, основанное на данных Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе. Первоначально он имел даже более высокое значение — 3,9 и 3,4 сигма в декабре прошлого года — и стимулировал более 500 теоретических работ. Однако в августе было объявлено, что новые данные показывают, что значимость снизилась до менее 1 сигмы.Это была просто статистическая флуктуация, и такой частицы не существует ».

Есть и другие доступные данные, которые, похоже, подтверждают идею ускоряющейся Вселенной, например, информация о космическом микроволновом фоне — слабом послесвечении Большого взрыва — от спутника Planck. Однако профессор Саркар сказал: «Все эти тесты являются косвенными, проводятся в рамках предполагаемой модели, и космический микроволновый фон не зависит напрямую от темной энергии. На самом деле, действительно есть тонкий эффект, поздно интегрированный эффект Сакса-Вульфа, но он не был убедительно обнаружен.

‘Таким образом, вполне возможно, что нас вводят в заблуждение и что очевидное проявление темной энергии является следствием анализа данных в упрощенной теоретической модели — той, которая на самом деле была построена в 1930-х годах, задолго до того, как появились какие-либо реальные данные. Более сложная теоретическая основа, объясняющая наблюдение, что Вселенная не совсем однородна и что ее материя может не вести себя как идеальный газ — два ключевых предположения стандартной космологии — вполне может быть в состоянии объяснить все наблюдения, не требуя темноты. энергия.В самом деле, энергия вакуума — это то, чего мы не понимаем в фундаментальной теории ».

Профессор Саркар добавил: «Естественно, потребуется много работы, чтобы убедить физическое сообщество в этом, но наша работа служит для демонстрации того, что ключевая опора стандартной космологической модели довольно шаткая. Надеюсь, это послужит стимулом для лучшего анализа космологических данных, а также вдохновит теоретиков на исследование более тонких космологических моделей.