Самая большая проблема с расширяющейся Вселенной
И почему это может создать проблемы для темной энергии, какой мы ее знаем.
«Это обычное дело, всего пять процентов. Четверть - это «темная материя», которая невидима и обнаруживается только с помощью гравитационного притяжения, а колоссальные 70 процентов Вселенной состоит из «темной энергии», описываемой как космическая антигравитация, но пока что совершенно непознаваемой. В сущности, это все тайна снаружи - все это, с одним лишь кусочком познаваемого, пригодного для жизни, конечного света и жизни ». - Саммер Бреннан
Большой взрыв - одна из самых успешных научных теорий всех времен, подробно описывающая, как Вселенная стала такой, какой она есть сегодня, за миллиарды лет космической истории. Это говорит нам о том, что мы начали с горячего, плотного, однородного и быстро расширяющегося состояния. Затем, по мере расширения и охлаждения, мы прошли через очень специфический набор этапов:
- мы сформировали первые стабильные атомные ядра,
- мы впервые образовали нейтральные атомы,
- материя коллапсировала под действием силы тяжести, образуя звезды,
- первые звездные скопления слились вместе, образовав галактики и крупномасштабную структуру,
- звезды, прожигающие свое топливо, умирают и изгоняют тяжелые элементы во Вселенную,
- и эти тяжелые элементы образуют новые звезды, каменистые планеты и, в конечном итоге, жизнь.
Однако сама эта история не говорит нам, как сама наша Вселенная будет продолжать развиваться в будущем. Большой взрыв дает нам возможности, но без дополнительной информации он не дает нам ответа.
Расширяющаяся Вселенная - это гонка между двумя противоборствующими силами: начальной скоростью расширения, с одной стороны, стремлением разнести все на части невероятно быстро, и силой гравитации, с другой стороны, работающей, чтобы собрать все вместе. Ключ к выяснению того, кто победит - будем ли мы заново коллапсировать, расширяться навсегда, жить на границе между двумя или чем-то еще - состоит в том, чтобы измерить, какова скорость расширения сегодня, а также как скорость расширения изменилась / эволюционировала на больших промежутках. времени.
Причина, по которой мы можем это сделать, заключается в том, что разные типы энергии по-разному развиваются во Вселенной. Материя, например, имеет постоянное количество общей энергии, но плотность энергии уменьшается по мере расширения объема Вселенной, поэтому плотность материи падает как куб, обратный размеру Вселенной. С другой стороны, у излучения также есть растяжение длины волны в дополнение к уменьшению с увеличением объема, что означает, что плотность излучения падает на единицу в четвертой степени размера Вселенной. Другие типы энергии - космические струны, доменные стенки или темная энергия - также развиваются в соответствии с их собственными уникальными уравнениями. Итак, если вы можете выяснить, как Вселенная расширялась на каждом этапе в прошлом, какова была ее скорость, какова была ее скорость и как она изменялась, вы можете точно выяснить, из чего состоит Вселенная, а также какова будет ее судьба.
Таким образом, ключ в том, чтобы провести эти измерения, и у нас есть много разных подходов. Один из них - измерить флуктуации космического микроволнового фона (CMB): свечение, оставшееся после Большого взрыва. Структура горячих и холодных пятен на различных масштабах позволяет нам восстановить очень много информации о Вселенной, включая то, из чего она состоит и какова скорость расширения.
Другой метод - использовать разные классы звезд, галактик или сверхновых для построения космической «дистанционной лестницы». Вы делаете это, измеряя свойства объекта, который находится поблизости, а также определяете его расстояние от вас, а затем прокладываете свой путь к все большим и большим расстояниям, измеряя внутренние свойства этого объекта, которые позволяют вам определять расстояние дальше. Обычно это основывается на концепции «стандартной свечи» или «стандартной линейки», точно так же, как вы можете узнать, как далеко от вас находится лампочка мощностью 60 Вт, просто измерив ее яркость.
Проблема в том, что если вы попытаетесь измерить скорость расширения двумя разными методами - одним по флуктуациям реликтового излучения и другим, построив лестницу космических расстояний, - вы получите два разных результата, которые не согласуются друг с другом.
Согласно CMB, скорость расширения Вселенной сегодня (скорость расширения Хаббла) составляет 67 ± 1 км / с / Мпк, в то время как согласно другому методу (дистанционная лестница) эта скорость составляет 74 ± 2 км / с. / Мпк. Это может показаться не таким уж большим делом, как вы могли бы сказать себе: «Может быть, это где-то между двумя значениями: 70 выглядит примерно правильно». Но теперь эти неопределенности настолько малы, что два возможных значения измерения не перекрываются. Вместо этого у нас остается только две возможности:
- В одном из используемых методов есть фундаментальный недостаток: возможно, допущения и выводы реликтового излучения неверны, или, возможно, наша неспособность откалибровать меньшие расстояния по шкале расстояний уводит нас от истинных значений.
- Или, что более интересно, возможно, оба измерения верны, и они измеряют разные вещи, подразумевая, что какой-то важный компонент Вселенной, например темная материя или темная энергия, изменяется со временем.
Суть, однако, заключается в том, что измерения, которые мы наблюдаем в последнее время, говорят нам, что Вселенная расширяется примерно на 8% быстрее, чем мы ожидали, основываясь на ранних измерениях. Происходит ли что-то забавное в физике; Может быть, есть еще какое-то дополнительное нейтрино, которое играет с нами в игры? Или темная энергия отличается от того, что мы думали, и означает ли это, что сценарий Большого разрыва, когда Вселенная разрывается на части через миллиарды лет в будущем, все-таки вероятен?
Прямо сейчас единственное решение - собрать больше и лучше информации, поскольку сам ответ записан в истории Вселенной. Если мы хотим знать наверняка, наша задача - исследовать и посмотреть, что он говорит нам о себе!
Этот пост впервые появился в Forbes. Оставляйте свои комментарии на нашем форуме, посмотрите нашу первую книгу: Beyond The Galaxy и поддержите нашу кампанию Patreon!
