Темная энергия / Ускоряющаяся вселенная: наивный вопрос

Это не такой наивный вопрос, как вы думаете, и ответ на него намного сложнее, чем вы думаете.

Когда мы рассчитываем, как расширяется Вселенная, мы предполагаем, что она изотропна и однородна (это просто означает, что в среднем она везде одинакова) и имеет масштабный коэффициент , который обычно записывается как$a(t)$. Масштабный коэффициент говорит нам, насколько расширилась Вселенная. В настоящее время мы устанавливаем масштабный коэффициент равным 1, поэтому масштабный коэффициент 2 означает, что все находится в два раза дальше, а масштабный коэффициент 0,5 означает, что все находится вдвое дальше.

Если наш масштабный коэффициент$a(t)$была постоянной, то Вселенная была бы статична, т.е. далекие галактики были бы неподвижны по отношению к нам. Когда мы говорим, что Вселенная расширяется, мы имеем в виду, что масштабный фактор$a(t)$увеличивается со временем. Чтобы узнать, как$a(t)$меняется со временем, мы должны решать уравнения Эйнштейна, и здесь все становится запутанным, потому что решения сложны. Если вам интересно, посмотрите статьи Wipedia о метрике FLRW и уравнениях Фридмана . Не вдаваясь в подробности, мы ожидаем, что коэффициент масштабирования будет выглядеть примерно так:

Без темной энергии скорость увеличения масштабного фактора со временем постепенно уменьшается, потому что взаимное гравитационное притяжение всего вещества во Вселенной замедляет расширение. При темной энергии скорость расширения всегда несколько выше, а на больших временах скорость расширения снова начинает возрастать.

Первоначальное обнаружение темной энергии было основано на измерении скорости разбегания сверхновых и обнаружении того, что они соответствуют предсказаниям красной линии, а не черной.

Несколько дополнительных замечаний: мы полагаем, что Вселенная плоская, а это означает, что (в отсутствие темной энергии) скорость расширения, показанная черной линией, будет продолжать замедляться, но никогда на самом деле не станет равной нулю. Точнее, оно будет асимптотически стремиться к нулю, когда время стремится к бесконечности. Открытая вселенная означает, что скорость расширения будет стремиться к значению больше нуля, а закрытая вселенная означает, что скорость расширения достигнет нуля за конечное время, а затем станет отрицательной. Замкнутая Вселенная снова начнет сжиматься.

Также обратите внимание, что в нулевое время масштабный коэффициент равен нулю, т. е. расстояние между всем во Вселенной будет равно нулю. Этот момент мы называем Большим взрывом. Название вводит в заблуждение, потому что это не был взрыв (как это часто показывают в научно-популярных телепрограммах). На самом деле это сингулярность , потому что если расстояние между всеми объектами равно нулю, плотность должна быть бесконечной. Особая точка — это место, где наши уравнения не работают, потому что мы не можем выполнять арифметические действия с числом$\infty$.

Мы действительно ожидаем, что Вселенная расширяется на основе теории Большого Взрыва. Следовательно, глядя на более высокое красное смещение, т.е. дальше во времени, вы должны ожидать, что объекты будут удаляться быстрее. Это отражено в сдвиге линейной зависимости, впервые измеренном Хабблом.

Однако из наблюдения SNIa, которое завершает график для более высоких красных смещений, сдвиг линейной зависимости отклоняется! Это предполагает, что связь между скоростью$v$и расстояние$D$больше не является линейным для более высоких$z$. Расширение ускоряется .

Это ускорение зависит от геометрии и энергетического содержания Вселенной.

Взгляните на график ниже: в пустой Вселенной, как вы заметили, скорости разбегания отклоняются от линейной зависимости Хаббла и это обозначено прямой линией. Однако измерения SN Ia показывают, что Вселенная отклоняется от этого соотношения из-за присутствия компонента энергии отталкивания, который приводит к ускоренному расширению Вселенной, что объясняет наблюдаемые скорости удаления. Это отталкивающее энергетическое содержание называется темной энергией и до сих пор остается очень загадочным.

Модель Большого взрыва допускает множество возможностей: стационарное состояние, постоянное расширение; ускорение расширения; замедление расширения. Для того чтобы значение постоянной Хаббла и микроволнового фонового излучения согласовывались и описывали наблюдаемую Вселенную формулой Большого взрыва, ускоряющееся расширение является наиболее экономичной гипотезой из-за существования положительной космологической постоянной в общей теории относительности . уравнения.

где лямбда больше нуля. Модель Большого Взрыва работает с любой лямдой, и до темной энергии снилась одна мысль, что расширение в прошлом было таким же, как и сейчас и лямда принималась равной 0. Данные указывают на то, что происходит непрерывное ускорение расширения, мы сейчас расширяются быстрее, чем через 380 000 лет после Большого взрыва . Это показано на графике истории с момента ББ.

Заключив в скобки историю расширения Вселенной между сегодняшним днем ​​и временем, когда Вселенной было всего около 380 000 лет, астрономы смогли установить ограничения на природу темной энергии, которая вызывает ускорение расширения. Измерения для далекой, ранней Вселенной получены из флуктуаций космического микроволнового фона, что было разрешено с помощью зонда НАСА Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP, в 2003 году.)

Их результат согласуется с простейшей интерпретацией темной энергии: она математически эквивалентна выдвинутой Альбертом Эйнштейном гипотезе космологической постоянной, введенной столетие назад, чтобы подтолкнуть ткань пространства и предотвратить коллапс Вселенной под действием гравитации.