«Темная» сторона Вселенной

«Темная» сторона Вселенной
Темная энергия
1. Наблюдательные данные
2. Теоретические модели
Выводы
1. Наблюдательные данные
1.1 Сверхновые
1.2 Реликтовое излучение
1.3 Гравитационные линзы
1.4 Крупномасштабная структура
1.5 Итоги наблюдений
1.1 Сверхновые
Сверхновые Ia – стандартные свечи
Сверхновые типа 1а возникают тогда, когда белый карлик в системе
двойной звезды отбирает у своего партнера путем аккреции
достаточно вещества, чтобы значение его массы приблизилось к
пределу Чандрасекара
—
максимальной
возможной
массе,
сдерживаемой давлением вырожденных электронов. Пиковая светимость
сравнима со светимостью нашей Галактики
1.1 Сверхновые
Фотометрическое расстояние ddФФ
L
l
4 dФ
- абсолютная светимость
(энергия излучаемая за 1 с)
ll - видимая светимость
22
см
(энергия, приходящая за 1 с на 1 см
LL
1.1 Сверхновые
Изменение блеска с расстоянием
Видимая светимость сверхновых типа 1а, наблюдаемая при умеренных красных
смещениях, меньше значения для модели пустой Вселенной, в которой скорость
постоянна в противоположность тому, чего можно было бы ожидать при
расширении с доминирующей материей, где скорость со временем уменьшается, и
видимые светимости при умеренных красных смещениях были бы больше, чем для
пустой Вселенной.
,
,
1.1 Сверхновые
H 0 ) от красного смещения для
Зависимость разности ((ddФФH
реалистичного случая   0.7,
00
0.7,
MM 0.3,
0.3,K K
И И 
и модели пустой Вселенной.
1.2 Реликтовое излучение
Открытие реликтового излучения
T T 2,725
КК
1965 Пензиас
2, 725
и Уилсон
1.2 Реликтовое излучение
Дипольная анизотропия
1992 COBE
 3,35
T 3T,35
мКмК
1.2 Реликтовое излучение
Анизотропия реликтового излучения
2001 WMAP
T ~100
мкК
T 100
мкК
1.2 Реликтовое излучение
Акустические осцилляции – стандартные
«линейки»
Результаты BOSS включают установление точных трёхмерных позиций 327 349
массивных галактик на 3 275 квадратных угловых градусах видимого неба, при
этом наблюдения дошли до красного смещения в 0,7, до периода, удалённого от
нас на 7 млрд лет. Было выявлено ускорение разбегания галактик относится к
периоду около 6 млрд лет назад.
1.2 Реликтовое излучение
Спектр реликтового излучения
Положение первого пика говорить о том, что пространственная кривизна равна нулю,
второй и третий пики свидетельствуют о скоррелированности флуктуаций, т.е.
фактически подтверждают инфляционную модель.
1.3 Гравитационные линзы
Понятие гравитационной линзы
1.3 Гравитационные линзы
Сильное гравитационное линзирование
Abell 1689 —
скопление
галактик в
созвездии Девы.
Скопление
расположено на
расстоянии 2,2
миллиарда
световых лет (670
мегапарсек) от
Земли.
Тёмная энергия влияет на геометрию пространства на пути света от удалённых
объектов до кластера-линзы, а затем от кластера до Земли. Анализируя изображения
можно получить информацию как о самой линзе, так и о расширении Вселенной.
1.3 Гравитационные линзы
Сильное гравитационное линзирование
Abell 1689 —
скопление
галактик в
созвездии Девы.
Скопление
расположено на
расстоянии 2,2
миллиарда
световых лет (670
мегапарсек) от
Земли.
Тёмная энергия влияет на геометрию пространства на пути света от удалённых
объектов до кластера-линзы, а затем от кластера до Земли. Анализируя изображения
можно получить информацию как о самой линзе, так и о расширении Вселенной.
1.4 Крупномасштабная структура
Возникновение крупномасштабной структуры
Галактики (20 кпк) объединяются в скопления с размерами порядка 4 Мпк.
Скопления галактик образовывают более крупные неоднородности с размерами
50-100 Мпк, которые создают крупномасштабную структуру Вселенной.
1.4 Крупномасштабная структура
Замедление роста структур
Было исследовано 86 наиболее массивных скоплений галактик во Вселенной. На основе
этих данных была восстановлена картина развития Вселенной во времени. Измерив
количество массивных скоплений в единице объема Вселенной в зависимости от их
удаленности от нас была получена картина роста крупномасштабной структуры в течение
последних 5,5 миллиардов лет . Результаты этого исследования показали, что рост
крупномасштабной структуры в течение этого времени существенно замедлился, что
можно объяснить взаимодействием крупномасштабной структуры Вселенной с темной
энергией.
1.5 Итоги наблюдений
Состав Вселенной
2. Теоретические модели
2.1 Основы стандартной космологии
2.2 Темная энергия
2.2.1 Энергия вакуума
2.2.2 Квинтэссенция
2.2.3 Другие уравнения состояния
2.3 Изменение теории гравитации
2.3.1 Модификация теории Ньютона
2.3.2 Модификация теории Эйнштейна
2.4 Другие подходы
2.1 Основы стандартной
космологии
Уравнения Эйнштейна
1
8G G
1
8

R  gg RR
g   4T T
R
g




22
c4 c
Метрика Фридмана – Робертсона – Уокера
2

2
dr
2
2
2
2  dr
2
2
2
2 

2
2
c 2dt a2 (at )(t ) 
2 r  d2  sin
 sin
d d2  
2r  d
dsds
 c2 dt



 
1 
1kr
2kr



ТЭИ идеальной жидкости
T


T
  
 
((  pp))uu uu pgpg
2.1 Основы стандартной
космологии
Уравнения Фридмана
G
 aa 44

G
 a  3c22 ((3 3p)p)
3c
a

2 2
G  a 2 2  kc kc
 11aa22  4G
22   a  

2 2
 22
33cc
Уравнение состояния
w w0  0
p w w
p
обычная материя
w
w1/31 / 3 излучение
1 1w w1/
1/ 33 темная энергия
w w1 1 фантомная энергия
2.2.1
Энергия вакуума
Энергия вакуума = космологическая постоянная
w 
w
11
7474
4 4
ввак

10
ГэВ
ак  10 ГэВ
Космологическая постоянная
Энергия нулевых
колебаний в
вакууме на 120
порядков больше
чем
космологическая
постоянная
47
 33 10
ГэВ4 4
1047 ГэВ
2.2.2 Квинтэссенция
Переменная во времени энергия вакуума
Действие для скалярного поля
S 
  
1


S  4 d 4 x  det g  1 g  

V
(

)



 d x  det g  2 g x x   V
 ( ) 

2
x x
w
11
w1/1/3 3

2.2.3 Другие уравнения
состояния
Идея единого описания темной материи
и темной энергии
A A
Газ Чаплыгина p  
p
 
Обобщенный газ Чаплыгина
AA
p p    

.
2.3.1 Модификация теории Ньютона
В 1983 году Мордехай Милгр предложил изменить закона гравитации,
требует, чтобы ускорение за счет силы тяжести зависело не просто от
массы, а от произведения массы на некоторую функцию, величина
которой стремится к единице для больших аргументов.
 a 

11
  


aa 

 aa00  aa00
Где ускорение, обусловленно силой
тяжести, а константа очень мала.
 a  a 
a
a
  



a  
a

0

0
 a0  a0a 0 a0 a0 a0
1010
aa0 01010
м /м
с2 / с2
Центростремительное ускорение звезд и
газовых облаков на окраине спиральных
галактик, как правило, будет ниже aa00
2.3.2 Модификация теории
Эйнштейна (ОТО)
1. f(R)
2. f(G)
3. Многомерные модели
4. Скалярно-тензорные
5. …
1. Обеспечивает естественную гравитационную альтернативу
для темной энергии.
2. Естественно объединяет раннюю инфляционную стадию
развития Вселенной и современное наблюдаемое
ускоренное расширение.
3. Описывает переход от замедленного до ускоренного
развития Вселенной.
2.4 Другие подходы
Возмущение метрики
«Мы не вводим никаких новых сущностей во Вселенную и
предлагаем объяснение в рамках одного из вариантов
стандартной теории Большого Взрыва – а именно
инфляционной (раздувающейся) модели Вселенной,
предложенной еще в 1981 году, – подчеркивает один из
авторов статьи Антонио Риотто из итальянского
Национального института ядерной физики. – Мы поняли,
что достаточно ввести в общую теорию относительности
Эйнштейна этот ключевой элемент – гравитационную рябь
на ранних стадиях, чтобы объяснить наблюдаемое
ускорение расширения Вселенной. И нет никакой
необходимости изобретать таинственные фантомы типа
«темной энергии».
2.4 Другие подходы
Выделенное положение
Рассмотрим следующий сценарий, который впервые был предложен
Джорджем Эллисом (George Ellis), Чарли Хеллаби (Charles Hellaby) и
Назимом Мустафой (Nazeem Mustapha) из университета Кейптауна в
Южной Африке, и впоследствии развитый Парижской Обсерваторией.
Предположим, что темп расширения замедляется повсюду, по мере того
как материя тормозит его в пространстве-времени. Далее предположим,
что мы живем в гигантской космической пустоте, которая конечно не
полностью пуста, однако её средняя плотность материи в два, а то и в три
раза меньше плотности в другом месте. Чем более пуст участок, тем
меньше материи он содержит, чтобы замедлить расширение места;
соответственно, местный темп расширения будет быстрее в пределах
пустоты, чем в другом месте. Самый быстрый темп расширения
наблюдается в самом центре пустоты и уменьшается к краю, где
начинает проявляться более высокая плотность. В любой момент
времени различные части космоса расширяются с различной скоростью,
совсем как неравномерно надутый воздушный шарик.
2.4 Другие подходы
Космологическое усреднение
•
•
•
•
•
•
arXiv:0912.4563 DAVID L. WILTSHIRE “FROM TIME TO TIMESCAPE – EINSTEIN’S
UNFINISHED REVOLUTION”
Проводит историческую параллель между эфиром (на рубеже 19-20 веков) и
темной энергией (20-21 век).
Расширяет слабый принцип эквивалентности, сильный принцип
эквивалентности до
космологического принципа эквивалентности.
Усреднение в космологии должно производиться по локальным областям и
разные локальные области являются однородными и изотропными, но
отличными друг от друга.
Так как Вселенная развивается на искривленном фоне, то слабо полевой не
допустим и следовательно относительно маленькое замедление среднего фона
локальной области может привести к большим изменениям в нормировки
часов.
Нельзя Вселенную описывать одной метрикой.
Выводы
Поиск зависимости темной энергии от
времени, а в перспективе
детальное
исследование этой зависимости – важнейшая
задача наблюдательной космологии, которая
должна в конечном итоге позволить выяснить
физическую природу темной энергии.