Рябь пространства-времени может объяснить феномен "темной энергии"
Международная группа астрофизиков разработала новую теорию, способную объяснить ускоряющееся расширение Вселенной, причиной которого ныне считается загадочная "темная энергия". Вместо таинственной "энергии", которая якобы расталкивает вещество галактик, ученые предложили теперь более "естественный" (по их мнению) механизм: наблюдаемые в последние годы явления - это "всего лишь" результат существования небольшой "ряби" в пространстве и времени, возникшей на самых ранних этапах развития Вселенной - во время так называемого периода инфляции, следовавшего за моментом Большого взрыва. Зона этой "ряби" (по-английски 'ripples', иначе говоря, небольшие волны, зыбь, пульсации...) простирается далеко за пределы той области окружающего нас мира, которую мы можем наблюдать с помощью наших телескопов, так что реальное существование этих "волн" можно подтвердить только косвенными методами.
В работе, посвященной решению этого самого животрепещущего вопроса современной космологии, приняли участие четыре физика-теоретика: Эдвард Колб (Edward W. Kolb) из Фермиевской национальной ускорительной лаборатории Министерства энергетики США (Fermilab, Батавия, штат Иллинойс), Сабино Матарресе (Sabino Matarrese) из Университета города Падуи (Северная Италия), Алессио Нотари (Alessio Notari) из Университета МакГилл (McGill University, Монреаль, Канада) и Антонио Риотто (Antonio Riotto) из итальянского Национального института ядерной физики (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare - INFN) в Падуе. Их исследование представлено на страницах журнала Physical Review Letters.
"Темная энергия" (dark energy), иначе именуемая отрицательным давлением или антигравитацией, - термин, возникший в рамках одной из самых популярных моделей Большого взрыва - модели инфляционной Вселенной, как бы "раздуваемой" по экспоненциальному закону на начальном этапе своего развития
Подобным образом еще в 1917 году Эйнштейн добавил в свои уравнения общей теории относительности специальный лямбда-член (космологическую постоянную), чтобы получить стационарную нерасширяющуюся Вселенную, что впоследствии называл главной ошибкой своей жизни. Точно такой же эффект, как введение лямбда-члена, производит присутствие нового фактора - отталкивания, "антигравитации". Долгое время считалось, что модель расширяющейся Вселенной, по крайней мере, на современном ее этапе, позволяет обойтись без этой новой сущности, космологическая постоянная Эйнштейна считалось равной или очень близкой к нулю. Но в самом конце XX века многие астрофизики парадоксальным образом вновь были вынуждены обратиться к этому старому непопулярному приему, чтобы согласовать наблюдаемые данные с теорией.
В существование "темной энергии" ученых впервые заставили поверить сделанные "Хабблом" снимки "стандартных свечей" - сверхновых определенного типа, взрывавшихся на рекордных расстояниях порядка 10 миллиардов световых лет. Звезды такого типа должны были давать вспышку в два раза меньшей яркости, чем было зарегистрировано, отсюда следовал вывод, что расширение Вселенной происходит со все возрастающей скоростью. При отсутствии "темной энергии" расширение Вселенной должно было бы, наоборот, со временем замедляться (особенно учитывая найденные за последнее время физиками и астрофизиками запасы "темного вещества" - т.е. материи, скрытой от непосредственного наблюдения в телескопы).
Согласно современным воззрениям, около 2/3 Вселенной состоит из "темной энергии". Оставшаяся треть приходится в основном на "темную материю", состав которой до сих пор точно не выяснен, и только малая часть остается на долю "обычной" видимой материи звезд и планет. Гравитация действует на все формы вещества, а антигравитация "темной энергии" проявляется только на дальних расстояниях, заставляя Вселенную расширяться ускоренными темпами, немыслимыми в том случае, если бы гравитация была доминирующей силой.
"Гипотеза темной энергии чрезвычайно пленительна, - объясняет Антонио Риотто из Падуи, - но с другой стороны она представляет собой серьезную проблему. Ни одна из существующих ныне теоретических моделей (включая теории суперсимметрии или струнные теории) не способна объяснить присутствие этой таинственной темной энергии в том количестве, которого требуют наши наблюдения. Если бы темная энергия присутствовала в том объеме, что предсказывают теории, то Вселенная расширялась бы с поистине фантастической скоростью и не позволила бы возникнуть чему-либо из того, что мы наблюдаем в нашем космосе".
Нужное количество темной энергии настолько трудно связать с известными законами природы, что физики уже успели перебрать всю гамму самых экзотических объяснений, включая новые силы, новые измерения пространства-времени и наличие новых ультралегких элементарных частиц. Однако новая теория не предполагает присутствия ни одного нового компонента во Вселенной, а наличие ускоренного расширения Вселенной описывается посредством стандартной инфляционной космологической модели для ранней Вселенной, появившейся еще в 1981 году.
В ходе инфляционного периода само пространство расширялось быстрее скорости света (таким образом получается, что хотя для вещества скорость света и является непреодолимым барьером, расширения пространства это ограничение уже не касается...). Предполагается, что во время периода инфляционного раздувания возникла небольшая "рябь" в пространстве-времени (к этому привели случайные квантовые колебания), которая затем (в ходе расширения Вселенной) была соответствующим образом "растянута" и теперь вышла далеко за пределы нашего космического горизонта, заполняя полную "глобальную" Вселенную, которая занимает приблизительно в 10100 раз больший размер, чем область видимой Вселенной, которая ограничена расстоянием, соответствующим приблизительно 14-15 миллиардам световых лет (только от объектов с такого расстояния свет смог достичь нас за все время существования нашей Вселенной). В новой работе содержится утверждение, согласно которому эволюция этой космической "ряби" увеличивает наблюдаемое расширение Вселенной и может служить объяснением ее ускоренного "разбухания".
"Мы поняли, что нужно просто добавить этот новый ключевой компонент - рябь пространства-времени, возникшую в ходе инфляционной эпохи, к Общей теории относительности Эйнштейна, чтобы объяснить, почему Вселенная ныне ускоряется, - говорит Райотто. - Это решение тайны ускорения вовлекает в объяснение Вселенную за пределами нашего космического горизонта. Никакая таинственная темная энергия при этом не требуется".
Ученые уверены, что присутствие этой "ряби" в видимой части Вселенной дает достаточно скромный эффект, и эффекты от близлежащего вещества легко пересиливают воздействие отдаленного "волнения", однако приблизительно миллиард лет назад плотность близлежащего вещества до такой степени уменьшилась ("истончилась" за счет непрерывного расширения пространства), что эффект ряби все-таки начал чувствоваться - в виде космического ускорения.
Эдвард Колб считает это предположение самым консервативным объяснением феномена ускоряющейся Вселенной из всех возможных. "Требуется только надлежащий аккуратный учет физических эффектов, возникающих под воздействием ряби вне нашего космического горизонта", - заявил он. Дело в том, что рябь должна была затронуть видимую Вселенную, оставить гравитационный след, который можно все еще уловить локально. "Вообразите, что вы оказались в тумане посреди океана. Вас качают пологие волны, которые вы фактически не видите, но чувствуете какую-то выпуклость и движение вверх-вниз, к тому же эта "зыбь" растет со временем..." Если расчеты верны, то данные от уже планируемых ныне экспериментов (например, дальнейшие наблюдения за вспышками сверхновых) позволят космологам проверить эту новую теорию.
"Был ли Эйнштейн прав, когда он первоначально ввел космологическую постоянную, или он был больше прав, когда позже отказался от своей собственной идеи, можно будет проверить несколько позже, с повышением точности космологических наблюдений, - считает Колб. - Новые данные скоро позволят сделать однозначный выбор между нашим объяснением ускоренного расширения Вселенной и решением, подразумевающим наличие темной энергии".
Источники:
Ripples in Spacetime Could Explain Dark Energy - Universe Today
Italian, Us Cosmologists Present Alternate Explanation For Accelerating Expansion Of The Universe: Was Einstein right when he said he was wrong? - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Giant space-time ripples may cause cosmic expansion - New Scientist
Ссылки:
Primordial inflation explains why the universe is accelerating today - PDF
Физический вакуум и космическая антигравитация - "Астронет"
The bubble that ate the universe - New Scientist
Обсудить
Статьи по теме
Рябь пространства-времени может объяснить феномен "темной энергии"
Разработана новая теория, способная объяснить ускоряющееся расширение Вселенной, причиной которого ныне считается загадочная "темная энергия". Другой возможный кандидат - это "рябь" в пространстве и времени, возникшая на самых ранних этапах развития нашего космоса. Зона этой "ряби" простирается далеко за пределы той области окружающего нас мира, которую мы можем наблюдать с помощью любых телескопов.
Возможность открытия темной энергии была упущена в 70-х годах прошлого века
Открытие таинственной темной энергии, которая служит причиной ускоренного расширения Вселенной, произошло в 90-х годах прошлого века в результате изучения взрывов удаленных сверхновых определенного типа. Однако теперь выясняется, что свидетельства существования темной энергии у астрономов имелись по крайней мере тридцать лет назад.
"Чандра": Выявлено местонахождение потерянной материи
Удалось выявить местонахождение двух обширных облаков горячего межзвездного газа, которые могут быть связаны с некоторой частью таинственной скрытой материи. Компьютерное моделирование показывает, что эта невидимая материя должна формировать паутинообразную структуру из газовых облаков, внутри которых образуются скопления галактик. Эти облака до сих пор никто не мог обнаружить из-за их чрезвычайно низкой плотности.
Вселенная во власти "темной энергии": новое доказательство
Наблюдения за отдаленными квазарами показывают, что основная часть энергии во Вселенной содержится в форме таинственной "темной энергии". Долгое время считалось, что модель расширяющейся Вселенной, по крайней мере, на современном ее этапе, позволяет обойтись без этой новой сущности.
Темная энергия: астрономы узнали время "космического рывка" в истории Вселенной
Адам Рисс и его коллеги с помощью космического телескопа "Хаббл" наблюдали 6 вспышек от отдаленных сверхновых, которые взорвались приблизительно 9-11 млрд лет назад. Выяснилось, что свет от этих взрывов был менее ярок, чем ожидалось, исходя из их красных смещений и современных темпов расширяющейся Вселенной, это доказывает, что расширение Вселенной в те отдаленные времена замедлялось. А вот момент, когда сила темной энергии преодолела гравитацию, положил начало все ускоряющемуся расширению нашей Вселенной, которое продолжается до сих пор.
Найдены "голые" галактики, лишенные "шубы" из темной материи
Три "голые" галактики, не окруженные темной материей, были найдены международной группой астрономов. Открытие наносит серьезный удар по убеждению, долгое время царившему в умах астрофизиков, согласно которому все галактики окружены скрытыми "темными" ореолами. Ученые приходят к мысли, что некий таинственный фактор в эволюции галактик "раздевает" их, лишает темного вещества.
Гравитационная линза показывает сердце отдаленной галактики
В настоящее время известно уже множество примеров наблюдений галактик, действующих подобно "гравитационным линзам". Лучи света, проходя рядом с ними, отклоняются мощным гравитационным полем. За счет такого "линзирования" на небе появляется несколько дополнительных видимых изображений какого-нибудь отдаленного объекта, расположенного за такой галактикой - например, это может быть яркий квазар. Теперь астрофизики раскрыли важную тайну, связанную с этим феноменом.
Темная энергия уходит в тень: получено новое свидетельство существования антигравитации
Астрономы Слоановского цифрового обзора неба объявили о получении еще одного независимого свидетельства существования таинственной темной энергии. Исследователи нашли своеобразный отпечаток темной энергии (или, как они называют это явление, "тень" темной энергии) путем изучения корреляций между изображениями миллионов галактик, полученных в ходе реализации программы SDSS, и картой распределения вариаций температуры реликтового излучения, "нарисованной" зондом WMAP.
Ранняя Вселенная: впервые удалось определить размеры реликтовых галактик
Астрономы Израиля и США нашли первое прямое подтверждение тому, что по крайней мере некоторые галактики размером с Млечный путь уже успели сформироваться, когда Вселенной от роду было меньше миллиарда лет. На иллюстрации - смоделированная структура ранней Вселенной. Первые галактики размером с Млечный путь выглядят как яркие пятна в вершинах этих своеобразных галактических нитей.
Неуловимая темная материя блуждает как пьяный матрос
До недавнего времени предполагалось, что таинственное темное вещество распределяется равномерно в массивном ореоле вокруг каждой галактики. Это не совсем верно. Такие ореолы действительно существуют, но состоят они из тысяч отдельных скоплений, которые можно воспринимать как своеобразные "темные" спутниковые галактики.
Квазары порождают новые загадки
Квазары - самые яркие объекты во Вселенной - сформировались в относительно небольших галактиках. Согласно новому исследованию, эти сверхмассивные черные дыры появились вскоре после Большого взрыва и набрали свой вес на удивление быстро - быстрее, чем галактики, окружающие их. Астрономы попытались "вычесть" из общего излучения древнейших источников интенсивный свет их центрального квазара, чтобы непосредственно разглядеть "родительские" галактики, в которых развился тот или иной "монстр".
Галактики, проевшие дырки в космосе, устроили Космический Ренессанс
Астрономы в очередной раз обнаружили наиболее отдаленную галактику из всех, известных на настоящий момент. Она находится от нас на расстоянии приблизительно 13,2 миллиарда световых лет. Излучение от этой галактики, именуемой Abell 1835 IR1916, доносит до нас информацию о Вселенной, которой было только 3 % от ее теперешнего возраста. Этот свет был испущен спустя примерно 470 миллионов лет после Большого взрыва и может рассказать нам о том, как формировались первые галактики после "темных веков", имевших место в истории ранней Вселенной.
"Хаббл" и пара телескопов "Кек" нашли галактику, знаменующую конец "темных веков"
Международная группа астрономов обнаружила новую "рекордную" по удаленности от нас галактику во Вселенной. Расположенная приблизительно в 13 млрд световых лет от Земли, она выглядит такой, какой была спустя всего лишь 750 млн лет после Большого взрыва, когда Вселенной исполнилось только 5 % от ее нынешнего возраста. "Ископаемая" галактика была идентифицирована объединенными усилиями космического телескопа "Хаббл" и пары телескопов Кек на Гавайях. Кроме земной и околоземной техники астрономам на помощь также пришел эффект естественной "космической гравитационной линзы", которая усилила яркость отдаленного объекта.
После Большого взрыва свет не спешил "отделяться от тьмы"
Во времена одного из самых ранних периодов своей истории Вселенная была почти вся сплошь "затянута" туманом из атомов водорода и гелия. Даже яркое ультрафиолетовое излучение самых первых звезд в новорожденных галактиках не могло пробиться через эту всепоглощающую завесу из газа, что дало астрономам повод назвать эту космическую эру "темными веками". Только по прошествии сотен миллионов лет первородные звезды смогли постепенно разогреть и ионизировать окружающий газ, преобразовав непроницаемый океан космоса в современное прозрачное космическое пространство. Возможно даже, что переионизация протекала в ходе двух различных фаз, связанных с первым и вторым поколениями звезд.
Раз в 10 000 лет Земля купается в темной материи
Солнечная система в своем движении через космическое пространство может регулярно сталкиваться с чрезвычайно разреженными скоплениями экзотических элементарных частиц, сохранившимися со времен раннего детства Вселенной. Об этом свидетельствуют вычисления швейцарских физиков.
Одинокие галактики стесняются обнажаться
Открытие в 2003 году трех "голых" галактик - то есть не окутанных "шубой"-гало из темной материи - вызвало большое оживление в среде астрофизиков и инициировало немедленные попытки найти другие подобные объекты. Однако новые детальные исследования изолированных галактик в рентгеновском диапазоне не привели к подтверждению новой теории, согласно которой галактики могут формироваться или эволюционировать множеством разных способов.
Сколько годков Галактике
Получена важная информация о возрасте Млечного пути. Новая оценка основана на измерении уровня бериллия-9 в древнейших звездах шаровых скоплений - спутников нашей Галактики. Таким образом выяснилось, что она существует уже около 13,6 миллиарда лет (плюс-минус 800 миллионов).
Черные дыры разрушили теорию призрачных частиц
Недавно появилась интересная теория, которая претендует ни много ни мало, как на раскрытие всех основных тайн современной космологической науки. Эта теория "призрачного конденсата" появилась в прошлом году. Предполагается, что межзвездный вакуум заполнен своеобразной "жидкостью" или "флюидом" из призрачных частиц. Однако согласно последним вычислениям, черные дыры, населяющие нашу Вселенную, могли бы очень быстро "выхлебать" любую подобную "жидкость".
На крупнейшей карте Вселенной обнаружили темную энергию
Астрономы составили самую детальную на текущий момент 3D-модель окружающей нас Вселенной и уверены, что эта карта позволяет откинуть все сомнения по поводу "темной энергии": она действительно существует и заполняет весь космос.
Мюоны указывают путь к невидимой вселенной
Международная группа физиков из Брукхэвенской лаборатории сообщила о том, что в экспериментах с элементарными частицами удалось обнаружить серьезные отклонения от теоретических предсказаний, даваемых Стандартной моделью. Измерялось колебание мюонов в магнитном поле. Нарушение Стандартной модели - это уже вполне ожидаемое событие, многие ученые полагают, что благодаря этому откроются горизонты новой физики элементарных частиц.
Немецкие математики установили, что Вселенная по форме напоминает дудку
Вселенная может иметь форму не какого-нибудь там шара или додекаэдра, а... рожка или горна. Точнее говоря весь наш космос вытянут в этакую длинную трубку, с узким концом с одной стороны и "раструбом" с другой. Такая "конструкция" нашей Вселенной кроме всего прочего подразумевает, что она конечна, а в каких-то ее местах встречаются области, где можно увидеть собственный затылок.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
"Чандра" открывает новый этап в исследованиях темной энергии
Полученные космической рентгеновской обсерваторией "Чандра" снимки ионизированного газа в скоплениях галактик позволили астрономам применить новый метод определения массы и энергии, содержащихся в нашей Вселенной. Было получено независимое подтверждение небывалого явления: примерно 6 млрд лет назад стадия замедляющегося расширения Вселенной прекратилась и сменилась стадией ускоренного расширения, продолжающегося до сих пор.
Астрономы обнаружили "потерявшиеся" барионы
Астрономы обнаружили новый тип разогретого межгалактического газа, с помощью которого можно локализовать невидимое присутствие темного вещества во Вселенной. Газовое облако, в триллион раз массивнее, чем наше Солнце, и в 150 раз более горячее, окружает нашу местную группу галактик, в которую входит Млечный путь, туманность Андромеды и еще приблизительно 30 мелких галактик.
Теория "холодного темного вещества" получила экспериментальное подтверждение
Канадским астрономам из Университета Торонто удалось измерить протяженность и определить форму массивных невидимых галактических ореолов, состоящих, согласно современным теориям, из темного вещества. Выяснилось, что размеры таких ореолов могут в 5-8 раз превышать видимые размеры галактик (то есть светящееся вещество - звезды). Ученые использовали в своих целях эффект, называемый "гравитационным линзированием".
Физика: 9 важнейших нерешенных вопросов
Череда недавних громких астрономических открытий заставила признать тревожный факт: та материя во Вселенной, про которую мы хоть что-то знаем, составляет не более 5% нашего мира. А остальное приходится на неизвестные формы "темного вещества" и "темной энергии". При этом резко повысилась роль физики элементарных частиц, от которой теперь требуют раскрытия основных законов природы, управляющих этим самым темным веществом, темной энергией и т.д.
Самые выдающиеся открытия 2003 года: темная энергия, пентакварки, бозе-конденсаты, квантовые компьютеры и др.
Многие западные издания выстраивают своеобразные хит-парады научных достижений уходящего 2003 года. Мы публикуем один из таких списков, составленный редакцией издания PhysicsWeb.
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Новости по теме
