Космологическое расширение

Расшире́ние Вселе́нной — явление, состоящее в почти однородном и изотропном расширении космического пространства в масштабах всей Вселенной, выводимое через наблюдаемое с Земли космологическое красное смещение.

Экспериментально расширение Вселенной подтверждается выполнением закона Хаббла, а также уменьшением светимости экстремально удалённых «стандартных свеч» (сверхновых типа Ia). Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется из начального сверхплотного и сверхгорячего состояния. Является ли это исходное состояние сингулярным (как предсказывает классическая теория гравитации — общая теория относительности) или нет — активно дебатируемый вопрос, разрешить который надеются разработкой квантовой теории гравитации.

Теоретически явление было предсказано и обосновано А. Фридманом (см. Вселенная Фридмана) на раннем этапе разработки общей теории относительности из общефилософских соображений об однородности и изотропности Вселенной.

Расширение Вселенной в различных моделях

Метрическое расширение пространства является увеличением расстояния между двумя отдалёнными частями Вселенной с течением времени. Метрическое расширение является ключевым элементом космологии Большого взрыва и математически моделируется с помощью метрики Фридмана — Леметра — Робертсона — Уокера (FLRW). Эта модель действует в современную эпоху только на больших масштабах (примерно масштабах скоплений галактик и выше). На меньших масштабах материальные объекты связаны друг с другом силой гравитационного притяжения, и такие связанные скопления объектов не расширяются.

Ускорение расширения Вселенной

В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла (за это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шоу по астрономии за 2006 год, Нобелевскую премию по физике за 2011 год и Премию по фундаментальной физике Юрия Мильнера в 2015 году). Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было найдено, что во Вселенной существует ранее неизвестная энергия с отрицательным давлением (см. уравнения состояния). Её назвали «тёмной энергией».

По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём Вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остаётся почти неизменной (или точно неизменной — в варианте с космологической константой).

Последствия для судьбы Вселенной

Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий, их относительная скорость превысит скорость света, и мы всегда будем видеть их прошлое до момента ухода за горизонт со всё возрастающим красным смещением. Это не является нарушением специальной теории относительности и уже произошло с достаточно далёкими галактиками. На самом деле трудно даже определить «относительную скорость» в искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривлённого пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и в принципе достижимы путём космических полётов, в то время как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием материи. Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведёт к т. н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом разрыве.

С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к «Большому хлопку». Основным недостатком этой модели является то, что силы гравитации и направление расширения вселенной могут быть ортогональными (например, если предположить, что пространство вселенной — трёхмерная гиперсфера), в этом случае гравитация не будет влиять на расширение вселенной. Гравитация также не может влиять на расширение вселенной, если причиной этого расширения является расширение самого пространства (гравитация действует лишь на материальные объекты, но не на пустое пространство). Впрочем, нельзя исключать возможность сжатия вселенной по иным причинам. Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.

Ускоренное расширение Вселенной

Ускоренное расширение Вселенной — обнаруженное в конце 1990-х годов уменьшение блеска экстремально удалённых «стандартных свечей» (сверхновых типа Ia), интерпретированное как ускорение расширения Вселенной. Расстояния до других галактик определяются измерением их красного смещения. По закону Хаббла, величина красного смещения света удалённых галактик прямо пропорциональна расстоянию до этих галактик. Соотношение между расстоянием и величиной красного смещения называется параметром Хаббла (или, не совсем точно, постоянной Хаббла).

Однако, само значение параметра Хаббла требуется сначала каким-нибудь способом установить, а для этого нужно измерить значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже вычислены другими методами. Для этого в астрономии применяются «стандартные свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом «стандартной свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звёзды типа Ia. Они обладают очень высокой яркостью и вспыхивают только тогда, когда масса старой звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с высокой точностью. Следовательно, все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую яркость; при этом желательно делать поправки на вращение и состав исходной звезды. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.

Открытие

В 1998 году, при наблюдениях сверхновых типа Ia, было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свечей» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.

За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шао по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год.

Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва[источник не указан 2655 дней]. Все полученные данные хорошо вписываются в лямбда-CDM модель.

Следствия

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением (см. уравнения состояния). Её назвали «тёмной энергией».

Представление об ускоренном расширении Вселенной влечёт ряд нетривиальных следствий, касающихся характера её эволюции. В частности, при некоторых не слишком ограничительных предположениях доказана принципиальная невозможность достижения в ускоренно расширяющейся Вселенной термодинамического равновесия.

Совершенно другой вид мира будет иметь место, если отказаться от гипотезы Большого взрыва, а руководствоваться космологией чёрной дыры. Тогда ускорение будет естественным падением в бесконечно расширяющееся пространство внутри чёрной дыры. Реликтовое излучение появляется в какой-то момент после прохождения сферы Шварцшильда, и вообще всё, что раньше отсчитывалось от момента Большого взрыва, нужно отсчитывать от этого момента. Принципиальная разница в том, что в системе отсчёта, предполагающей падение в чёрную дыру, имеет место и история до этого момента.

Критика

В конце 2019 года корейские учёные представили данные наблюдений, свидетельствующие об очень высокой корреляции (99,5 %) светимости сверхновых Ia с возрастом содержащих их галактик, что в полной мере объясняет расхождение наблюдаемой светимости с красным смещением и, таким образом, отрицает ускорение расширения Вселенной. Авторы оставляют обсуждение вопроса о существовании тёмной энергии за рамками статьи; скептики отмечают, что данные нельзя распространять на гипотезу существования тёмной материи, так как существует множество других космологических данных, объясняемых пока лишь с её использованием в расчётах.

Примечания

1. ↑ John Soltis, Arya Farahi, Dragan Huterer, C. Michael Liberato II Percent-Level Test of Isotropic Expansion Using Type Ia Supernovae Архивная копия от 4 мая 2019 на Wayback Machine // arXiv.org 19 Feb 2019
2. ↑ Известно научное исследование, свидетельствующее об анизотропии расширения Вселенной. // K. Migkas, G. Schellenberger, T. H. Reiprich, F. Pacaud, M. E. Ramos-Ceja, L. Lovisari //Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX−T scaling relation // arXiv.org 7 Apr 2020
3. ↑ Красное смещение. Дата обращения: 16 января 2015. Архивировано 16 января 2015 года.

Литература

• Блинников С.И., Долгов А.Д. Космологическое ускорение // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2019. — Т. 189. — С. 561—602. — doi:10.3367/UFNr.2018.10.038469;
• Кошман, В. С. Второе начала термодинамики и космологическое расширение Вселенной / В. С. Кошман // Sciences of Europe. – 2020. – № 47-1(47). – С. 3-7;
• Кошман, В. С. Космологическое расширение Вселенной: причина и время возникновения реликтового излучения / В. С. Кошман // Тенденции развития науки и образования. – 2022. – № 91-7. – С. 165-168;
• Кошман, В. С. О взаимосвязи изменчивости энергетических характеристик и объема Вселенной при ее космологическом расширении / В. С. Кошман // Sciences of Europe. – 2020. – № 48-2(48). – С. 50-53;
• Фомин, И. В. Двухполевые космологические модели с повторным ускоренным расширением Вселенной / И. В. Фомин // Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия. – 2018. – № 6. – С. 112-116;
• Яковлев, Б. В. Гравитационное поле и космологическое расширение / Б. В. Яковлев // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. – 2021. – № 1(81). – С. 43-49;
• Jones, Mark H.; Robert J. Lambourne (2004). An Introduction to Galaxies and Cosmology. Cambridge University Press. p. 244. ISBN 978-0-521-83738-5.

Ссылки

• Ian Steer. Who discovered Universe expansion?. — 2012. — arXiv:1212.1359.
• Swenson, Jim. Answer to a question about the expanding universe (англ.)

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Космологическое расширение», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Космологическое_расширение» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».