Более 20 лет назад стало известно, что расширение Вселенной ускоряется, но физика этого процесса остается загадкой. Однако до сих пор не существует единого физического объяснения этого процесса. На этот счет выдвигаются различные теории и одну из них предложила группа исследователей из Гавайского университета в Маноа: за ускоренный рост отвечает темная энергия, которая исходит от большого количества объектов, разбросанных в пустоте между галактиками. Рассказываем как это мнение соотносится с классической теорией и что нам уже известно о расширении вселенной наверняка.
Как работает расширение вселенной?
Когда мы смотрим на отдаленные объекты, мы можем заметить, что они отдаляются от нас, при этом чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он отдаляется. К примеру объекты находящиеся от нас на расстоянии 13.8 миллиардов световых лет (сфера Хаббла) отдаляются от нас со скоростью света, а объекты находящиеся еще дальше — отдаляются быстрее скорости света!
Казалось бы происходит нарушение теории относительности, которая запрещает сверхсветовое движение, но на самом деле это не так. Так отдаленные галактики отдаляются от нас не за счет собственного движения, а за счет того, что между нами и ними пространство расширяется настолько быстро, что для расстояние увеличивается быстрее скорости света.
Сам факт ускоренного расширения практически не вызывает сомнений. Существование этого эффекта было многократно подтверждено самыми разными способами. За его открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике 2011 года.
Почему отдаленные галактики удаляются быстрее?
Потому, что пространство расширяется везде и повсеместно равномерно во всех точках. К примеру если во вселенной каждый метр пространства увеличится на 1 сантиметр за 1 секунду, то тогда объекты расположенные на расстоянии 1 километр друг от друга отдалятся за 1 секунду друг от друга на 10 метров. А на расстоянии 100 километров — на 1000 метров. А на расстоянии 1000 километров — на 10 000 метров и так далее — чем больше расстояние между объектами, тем больше пространства между ними возникает за единицу времени.
Почему все галактики удаляется от нас? Значит ли это, что мы находимся в центре расширения? В центре вселенной? Нет, не значит. Так как пространство расширяется повсеместно и равномерно то какую бы галактику вы не выбрали, как точку обзора, из нее все будет выглядеть так, как будто это она находится в центре расширения, но по сути никакого центра расширения просто нет.
На расстоянии примерно 46.5 миллиардов световых лет находится граница наблюдаемой вселенной. Все что находится за ней мы никогда не сможем увидеть. Просто потому, что фотоны испущенные объектами находящимися за границей наблюдаемой вселенной никогда не достигнут нас — пространство между ними и нами будет возникать быстрее, чем фотоны будут успевать преодолевать его. Это расстояние еще называют горизонтом частиц.
Куда расширяется Вселенная?
Вселенная — это пространство и время, содержащее материю и энергию в себе. Когда мы говорим, что «Вселенная расширяется», мы имеем в виду расширение самого пространства, в результате которого отдельные галактики и скопления галактик удаляются друг от друга. Проще всего было бы представить шарик теста с изюмом внутри, который выпекается в печи, считает Этан Зигель.
Это тесто — ткань пространства, а изюминки — связанные структуры (вроде галактик или скоплений галактик). С точки зрения любой изюминки, все остальные изюмы будут от нее отходить, и чем они дальше — тем быстрее. Только в случае Вселенной печи и воздуха за пределами теста не существует, есть только тесто (пространство) и изюм (вещество).
Ускоряется ли её расширение или замедляется?
Ответ тут дать уже сложнее. Существует так называемый закон Хаббла, описывающий расширение Вселенной. В нём присутствует некий коэффициент, позволяющий связать расстояние до объекта с его удалением от Земли — постоянная Хаббла. Так вот, во всех точках пространства эта постоянная одинакова, но с течением времени она изменяется — и каждую секунду она становится всё меньше и меньше.
И это логично — в первые секунды Большого Взрыва Вселенная расширялась в десятки тысяч раз быстрее, чем сейчас — это мы можем узнать из реликтового излучения, оставшегося в эти первые секунды. Из-за того, что объекты всё больше отдаляются друг от друга, расширение Вселенной замедляется. Но оно не будет замедляться вечно, Вселенная никогда не остановится увеличиваться в размерах.
Только в конце двадцатого века ученые обнаружили, что вселенная расширяется с ускорением. Его начало — около 5 миллиардов лет назад, относительно скоро до возраста вселенной, которой почти 14 миллиардов лет. Это оказался огромным сюрпризом для всех ученых, потому что, согласно тогдашним теориям, вселенная должна замедляться, а не ускорять свое расширение.
На самом деле, сам Эйнштейн столкнулся с проблемами, связанными с идеей об изменяющейся, а не статичной вселенной. Великий ученый считает, что почти до самого конца своей жизни вселенная должна быть статичной и неизменной, и при этом она не должна расширяться или уменьшаться. Именно по этой причине он меняет свои уравнения, которые говорят об обратном, и добавляет к ним так называемые космологическая постоянная, которая препятствует расширению пространства. Когда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемую красное смещение галактик, становится ясно, что кажется, что все другие галактики в космосе «убегают» от нас.
Одна из самых распространённых теорий по этому поводу — модель Леметра, согласно которой Вселенная сначала замедлит своё расширение, а потом ускорит:
Три конкурирующих объяснения
Собственно говоря, скорость расширения со временем должна была бы снижаться, так как никто не отменял торможение материи и энергии в космосе гравитацией. Но в нашем случае, похоже, все происходит с точностью до наоборот. Причины же ускорения экспансии вселенной науке до сих пор досконально неясны.
- Наиболее популярное в наше время объяснение – это одиозная «темная энергия», которая эффективно действует отталкивающе и антигравитационно. В этом отношении существует множество гипотез. Самая простая – это позитивное значение космологической константы, которую называют также лямбда-член. Она представляет собой естественную постоянную и является необходимой составляющей уравнений общей теории относительности (введенной в 1917 году Эйнштейном). Но значение ее нельзя вывести теоретически, а может быть определено исключительно путем измерений. Долгое время оно постулировалось для простоты как ноль, что упрощало уравнения, но это было не обязательно, а произвольно. В качестве других кандидатов на роль темной энергии рассматриваются неизвестные, а местами даже изменчивые энергетические поля (например, квинтэссенция, к-эссенция, фантомная энергия, обобщенный газ Чаплыгина, темная жидкость…), которые, впрочем, все остаются лишь теоретическими предположениями.
- В качестве альтернативы выдвигаются версии, что общая теория относительности на особо длинных космических шкалах перестает работать или теряет в своей действенности. Если бы это было так (или если это так!), то очередная модифицированная теория тяготения – которую еще нужно доработать и подтвердить измерениями! — смогла бы разоблачить факт ускоряющегося расширения, как иллюзию. При этом можно было бы заявить, что измерения могли быть неверно истолкованы по причине неправильной теоретической основы.
- Еще одна возможность состоит в том, что расширение вселенной ускоряется только «локально», на порядке расстояний от 100 до 1000 миллионов световых лет вокруг нас. Это можно было бы допустить, если бы материальная плотность вокруг выла бы более высокой. Говоря проще – если бы мы жили в гигантском пузыре с меньшей плотностью, чем окружающее его внешнее пространство. Тогда локальная материя стала бы меньше тормозить локальное расширение, а далекие космические регионы дополнительно бы ее «рвали».
Откуда мы знаем, что это пространство расширяется, а не галактики удаляются?
Если вы видите, что во всех направлениях от вас удаляются объекты, есть только одна причина, способная это объяснить: расширяется пространство между вами и этими объектами.
Также можно было бы предположить, что вы находитесь возле центра взрыва, и многие объекты просто находятся дальше и удаляются быстрее, потому что получили больше энергии взрыва. Если бы это было так, мы могли бы доказать это двумя способами:
- На больших расстояниях и высоких скоростях будет меньше галактик, поскольку со временем они сильно распространились бы в пространстве
- Отношение красного смещения и расстояния будет принимать конкретную форму на больших расстояниях, которая будет отличаться от формы, если бы расширялась ткань пространства
Когда мы смотрим на большие расстояния, мы находим, что дальше во Вселенной плотность галактик выше, чем ближе к нам. Это согласуется с картиной, в которой пространство расширяется, потому что смотреть дальше — то же самое, что смотреть в прошлое, где произошло меньше расширения. Мы также обнаруживаем, что отдаленные галактики имеют отношение красного смещения и расстояния, соответствующее расширению пространства, и совсем нет — если бы галактики просто быстро удалялись от нас. Наука может ответить на этот вопрос двумя разными способами, и оба ответа поддерживают расширение Вселенной.
Будет ли Вселенная расширяться вечно или когда-нибудь остановится?
Несколько поколений астрофизики и космологи ломали голову над этим вопросом, и ответить на него можно, только определив скорость расширения Вселенной и все типы (и количества) энергии, присутствующие в ней.
Мы уже успешно измерили, сколько имеется обычной материи, излучения, нейтрино, темной материи и темной энергии, а также скорость расширения Вселенной. Основываясь на законах физики и произошедшем в прошлом, складывается впечатление, что Вселенная будет расширяться вечно. Хотя вероятность этого не 100%. Если нечто вроде темной энергии будет вести себя иначе в будущем по сравнению с прошлым и настоящим, все наши выводы придется пересмотреть.
Что говорит о расширении Вселенной новая теория?
В 1998 году две группы астрофизиков независимо друг от друга пришли к выводу о том, что скорость расширения Вселенной увеличивается. Движущую силу этого ускорения назвали «темная энергия», и было подсчитано, что это вещество неизвестного вида с отрицательным давлением составляет около 68% от всего во Вселенной. Но ученые до сих пор не знаю, что это на самом деле.
Одна гипотеза предполагает, что эта форма энергии может скрываться внутри неизвестного класса объектов, под названием Генерические объекты темной энергии (GEODE). Загадочные космические тела похожи на черные дыры, но они состоят из ядра темной энергии, окруженного вращающимся слоем. В новом исследовании ученые попытались объяснить, как GEODE ускоряют расширение Вселенной — и как обнаружить эти объекты.
Откуда берутся GEODEs? Гипотеза гласит, что они рождаются в том же процессе, что и чёрные дыры звёздной массы: при взрывах самых массивных звёзд в качестве сверхновых. А это значит, что в ранней Вселенной должно было появиться очень много подобных тел.
Исследователи подсчитали, что скорость вращения внешних слоев меняет их движение относительно друг друга. Если они будут вращаться медленно, объекты будут притягиваться друг к другу очень быстро — даже быстрее, чем черные дыры. Причина в том, что GEODE приобретают массу в результате расширения самой Вселенной.
Но если внешние слои вращаются намного быстрее, ближе к скорости света, то объекты начинают отталкиваться друг от друга. Именно отталкивающий эффект, по мнению исследователей, может быть причиной ускорения расширения Вселенной.
Однако у этой концепции есть проблема. Согласно выкладкам теоретиков, эти гипотетические объекты похожи на чёрные дыры не только по механизму рождения, но и по свойствам. Внешнему наблюдателю было бы очень сложно их различить. Например, они так же сильно притягивают обычную материю.
Между тем звёзды рождаются и умирают в галактиках. Значит, и GEODEs должны находиться там же, а не в пустом межгалактическом пространстве. И будь их столько, сколько нужно, чтобы «сделать» из них тёмную энергию, они своей гравитацией сильно влияли бы на движение светил. Наблюдатели не смогли бы этого не заметить.
Что в итоге?
Различные гипотезы делают разные прогнозы в отношении космических измерений, поэтому они могут быть в принципе проверены и оценены. Правда, эффективность их оставляет желать лучшего.
Проведенные до сих пор измерения говорят скорее против модифицированных теорий тяготения или сверхплотных регионов, причем допустимы они лишь при условии небольшой позитивной космологической константы. То есть, как ни крути, именно космологическая константа остается в настоящий момент наилучшим объяснением для ускорения развития вселенной, а также наиболее вероятным кандидатом на роль «темной энергии».
