Заставляет ли темная энергия галактики расширяться в течение длительных периодов времени?

TLDR: темная энергия приводит к ускоренному расширению пустого пространства между скоплениями галактик. Другие эффекты доминируют в динамике внутри данного кластера.

Если я позволю себе на минутку философствовать, мы должны помнить, что каждое уравнение, которое мы записываем, является приблизительным описанием природы, построенным на основе упрощающих предположений и с четко определенной областью применимости. Так какова область применимости темной энергии?

космология как пыль на ветру

Когда мы выводим уравнения Фридмана из метрики FLRW , мы предполагаем, что содержимое Вселенной имеет однородную плотность . Материя Вселенной моделируется как однородная невзаимодействующая пыль. В этом случае пылинки представляют собой скопления галактик . Под «невзаимодействующими» мы подразумеваем, что скопления галактик просто сидят на месте, если только их не увлекает космологическая динамика. Просто пыль на ветру, чувак.

Темная энергия вписывается в уравнения поля Эйнштейна как космологическая постоянная . Он имеет постоянную плотность энергии.

В прошлом пылинки были ближе друг к другу, и во Вселенной преобладала материя . Космологическая динамика определялась прежде всего материей во Вселенной. По мере расширения Вселенной между пылинками становилось все больше пустого пространства. Плотность материи Вселенной уменьшилась. В конце концов плотность материи сравнялась с плотностью темной энергии. В этот момент темная энергия начинает заметно влиять на космологическую динамику. По мере того, как Вселенная расширяется, плотность материи продолжает уменьшаться, но плотность темной энергии остается неизменной, что приводит к той космологии , в которой доминирует темная энергия, которую мы наблюдаем сегодня.

Уравнения Фридмана описывают динамику скоплений галактик. Это их область действия.

внутри пылинки

Если мы увеличим масштаб одной пылинки и заглянем внутрь, то обнаружим множество галактик. Главное, что нужно понять, это то, что в масштабе одного галактического скопления в пространстве-времени не доминирует темная энергия. Средняя плотность материи в скоплении намного больше, чем средняя плотность Вселенной. Просто между скоплениями гораздо больше пустого пространства, чем между галактиками внутри скопления.

Если мы применим те же космологические предположения в этом масштабе, динамика будет иной, чем для скоплений галактик. Повышенная плотность материи означает, что расширение не будет происходить с той же скоростью. Скорость расширения между скоплениями больше, чем скорость расширения между соседними галактиками, которая больше, чем скорость расширения между звездами внутри галактики.

Предположение о невзаимодействии определенно не выполняется внутри кластера. Галактики не просто плывут по ветру космологии, они гравитационно взаимодействуют и влияют друг на друга. В этом случае нам, возможно, придется побеспокоиться о решении гравитационного уравнения.$N$-задача тела с ненулевой космологической постоянной.

Уравнения Фридмана, описывающие космологию, не являются полезным приближением к динамике внутри галактики. Космологическая постоянная (темная энергия) изменяет гравитационную динамику, но не вызывает ускоренного расширения, как в случае с пустым пространством между скоплениями галактик.

Когда вы запишете уравнения Фридмана для метрики FLRW, вы увидите, что в прошлом темная энергия не была доминирующей.

Плотности энергии развиваются таким образом;

Это показывает нам, что по мере прохождения во времени ($z \rightarrow \infty$), сначала материя, а затем излучение доминируют в динамике Вселенной. Темная энергия только недавно начала проявлять свои эффекты. Вы даже можете рассчитать это время, просто приравняв$\Omega_m = Omega_{\Lambda}$.

Таким образом, для$z \gg 0.326$, во Вселенной преобладала материя, и по мере того, как вы уходите в прошлое, влияние темной энергии становится все меньше и меньше.

Еще одна проблема с вашим аргументом — это «расширение вселенной». Вы можете думать о галактиках как о точках, переносимых расширением пространства, а не расширяющихся вместе с самим пространством. Думайте о галактиках как о точках, встроенных в поверхность воздушного шара. Когда вы надуваете шарик, расстояние между точками увеличивается, но с этими точками ничего не происходит. Это отличная аналогия для понимания того, как происходит расширение Вселенной.

Итак, подведем итог;

1. Темная энергия до недавнего времени не была эффективной, поэтому она не может повлиять на динамику ранней Вселенной.
2. Галактики не подвержены влиянию расширения Вселенной.

Один из способов думать об этом состоит в том, что темная энергия начинает оказывать влияние, когда ее плотность энергии становится сравнимой с плотностью энергии материи (или излучения). Энергетическая плотность темной энергии составляет около$7 \times 10^{-30} g/cm^3$, что много меньше плотности межзвездного пространства (~один атом водорода на кубический сантиметр). Так что галактики не расширяются.

Плотность энергии темной энергии больше, чем плотность межгалактического пространства (около$1 \times 10^{-30} g/cm^3$), и, следовательно, здесь происходит расширение.