Чем объясняется ускоренное расширение вселенной существованием тест
Ускоренное расширение Вселенной объяснили самовзаимодействием темной материи
Космологическое ускорение частицы расширяющейся Вселенной (в относительных единицах) в зависимости от масштабного фактора в симуляциях со взаимным отталкиванием частиц темной материи (цветные точки) и в теоретической модели с космологической постоянной (сплошная линия).
Loeve K., Nielsen K. S. & Hansen S. H. / The Astrophysical Journal, 2021
Физики с помощью симуляций протестировали альтернативную модель ускоренного расширения Вселенной — отказались от космологической постоянной и постулировали существование сил отталкивания между частицами темной материи, которые действуют на масштабах порядка мегапарсеков и по величине пропорциональны квадрату дисперсии скоростей. Оказалось, что такой подход позволяет воспроизвести поведение Вселенной в общепринятой модели с космологической постоянной. Статья опубликована в The Astrophysical Journal.
Современные астрофизические наблюдения показывают, что Вселенная расширяется ускоренно — то есть удаленные галактики со временем разлетаются все быстрее. Этот факт требует физической интерпретации, ведь гравитация — взаимодействие, которое считается доминирующим на крупных масштабах, — лишь притягивает объекты друг к другу. В стандартной космологической модели ускоренное расширение описывают при помощи космологической постоянной — величины, которая описывает плотность энергии чистого вакуума (темной энергии) в уравнениях Общей теории относительности и обеспечивает отталкивание между далекими объектами.
Такой подход удобен, поскольку позволяет объяснять наблюдения, постулируя в модели всего один числовой параметр, однако у него есть и существенные недостатки. Так, космологическую постоянную приходится подбирать на основе самих же наблюдений и не удается вычислить независимо — например, в рамках квантовых представлений энергия вакуума оказывается на множество порядков выше, или вообще не может быть предсказана.
Это мотивирует ученых придумывать альтернативные модели, которые объясняли бы ускоренное расширение Вселенной, но не привлекали для этого космологической постоянной. Некоторые физики предлагают модифицировать теорию гравитации, другие — предположить, что расширение Вселенной неоднородно, а мы просто оказались в области, которая расширяется быстрее среднего, третьи — отказаться от ускоренного расширения как такового и искать ошибку в измерениях, которые о нем свидетельствуют. Тем не менее модель с космологической постоянной пока остается предпочтительной.
Физики из Института Нильса Бора под руководством Стина Хансена (Steen Hansen) предложили и проанализировали еще одно объяснение ускоренному расширению Вселенной. Авторы предположили, что темная материя, помимо гравитационного притяжения друг к другу и обычным частицам, испытывает еще и силу самоотталкивания, которая проявляется на межгалактических масштабах (порядка мегапарсеков).
Эту силу исследователи положили пропорциональной квадрату дисперсии скоростей частиц в галактиках (что делает ее в некотором смысле похожей на магнитную силу Лоренца между движущимися заряженными частицами) и обратно пропорциональной квадрату расстояния между разлетающимися галактиками (подобно гравитационной или кулоновской силе). Остальные параметры (кроме космологической постоянной, принятой равной нулю) физики позаимствовали из общепринятой модели.
Затем авторы проводили компьютерные симуляции эволюции распределения темной матери в области размером в 96 мегапарсеков, заполненной 2,1×10 6 частицами массами в 1,6×10 9 солнечных, между красными смещениями в z=20 и z=0,6 (в стандартной космологии последнее отвечает масштабу, на котором происходит переход от гравитационного замедления к космологическому ускорению). При этом числовой коэффициент, характеризующий величину отталкивания между частицами, исследователи подбирали так, чтобы результаты симуляции наилучшим образом описывались теорией с участием космологической постоянной.
Оказалось, что с помощью альтернативной модели можно воспроизводить прогнозы, которые дает стандартная космология — а значит, вероятно, и объяснять данные наблюдений. При этом, однако, не удается заменить пропорциональность силы квадрату дисперсии скоростей на линейный или кубический закон — оба случая дают существенное расхождение с общепринятой теорией.
Согласованность альтернативных космологических моделей со стандартной: если отталкивание пропорционально первой или третьей степени дисперсии скоростей, наблюдаются существенные расхождения.
Loeve K., Nielsen K. S. & Hansen S. H. / The Astrophysical Journal, 2021
Ускоренное расширение Вселенной: несколько популярных слов
Некоторая ирония природы состоит в том, что наиболее изобильная форма энергии во Вселенной есть и наиболее загадочная. После ошеломляющего открытия ускоренного расширения Вселенной довольно быстро возникла согласованная картина, указывающая на то, что 2/3 космоса «сделаны» из «темной энергии» — некоторого сорта гравитационно отталкивающего материала. Но достаточно ли убедительны доказательства, подтверждающие новые экзотические законы природы? Может имеются более простые астрофизические объяснения этих результатов?
Предыстория Нобелевской премии
История темной энергии началась в 1998 году, когда два независимых коллектива исследовали удаленные сверхновые с целью обнаружить скорость замедления расширения Вселенной.
Одна из них, Supernova Cosmology Project, приступила к работе в 1988-м, и руководил ею Сол Перлмуттер. Другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом High-z Supernova Search Team, подключилась к исследованиям в 1994-м.
Результат поверг их в шок: Вселенная достаточно давно находится в режиме ускоренного расширения.
Как детективы, космологи всего мира собирали досье на обвиняемого, ответственного за ускорение. Его особые приметы: гравитационно отталкивающий, препятствует образованию галактик (кластеризации материи в галактики), проявляется в растяжении пространства-времени. Кличка обвиняемого – «темная энергия». Многие теоретики предполагали, что обвиняемый – космологическая константа. Она безусловно соответствовала сценарию ускоренного расширения. Но хватало ли улик, чтобы полностью идентифицировать темную энергию с космологической постоянной?
Существование гравитационно-отталкивающей темной энергии должно было иметь драматические следствия для фундаментальной физики. Наиболее консервативное предположение состояло в том, что Вселенная заполнена однородным морем квантовой энергии нулевых колебаний или конденсатом новых частиц, масса которых в 
раз меньше электрона. Некоторые исследователи также предполагали необходимость изменения общей теории относительности, в частности, новые дальнодействующие силы, ослабляющие действие гравитации. Но даже в самых консервативных предложениях имелись серьезные недостатки. Например, плотность энергии нулевых колебаний оказалась на 120 неправдоподобных порядка меньше теоретических предсказаний. С точки зрения этих экстремальных предположений казалось более естественным искать решение в рамках традиционных астрофизических понятий: межгалактическая пыль (рассеяние фотонов на ней и связанное с этим ослабление потока фотонов) или разница между новыми и старыми сверхновыми звездами. Эта возможность поддерживалась многими космологами, бодрствующими в ночи.
Наблюдения сверхновых и их анализ проведенный С. Перлмуттером, Б. Шмидтом и А. Риссом, дали понять, что убывание их яркости с расстоянием происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать, по принятым в то время космологическим моделям. Совсем недавно это открытие было отмечено Нобелевской премией по физике. Такое дополнительное потускнение означает, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка расстояния. Но это, в свою очередь, возможно только тогда, когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е. скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Важнейшая особенность новых экспериментов состояла и в том, что они позволили не только определить сам факт ускоренного расширения, но и сделать важное заключение о вкладе в плотность вещества во Вселенной различных составляющих.
До недавнего времени сверхновые звезды были единственным прямым доказательством ускоренного расширения и единственной убедительной опорой темной энергии. Точные измерения космического микроволнового фона, включающие WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) данные обеспечили независимое подтверждение реальности темной энергии. То же самое подтвердили и данные еще двух мощных проектов: крупномасштабное распределение галактик во Вселенной и Sloan Digital Sky Survey (SDSS).
Sloan Digital Sky Survey (SDSS, Слоуновский цифровой обзор неба) — проект широкомасштабного исследования изображений и спектров звёзд и галактик, использующий 2,5-метровый широкоугольный телескоп в Обсерватория Апачи-Пойнт, Нью-Мексико.
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной.
Комбинация данных WMAP, SDSS и других источников, нашли, что гравитационное отталкивание, генерируемое темной энергией, замедляет коллапс сверхплотных областей материи во Вселенной. Реальность темной энергии сразу стала существенно более приемлемой.
Космическое расширение
Космическое расширение было открыто Эдвином Хабблом в конце 1920-х и, может, является самой важной особенностью нашей Вселенной. Не только астрономические тела двигаются под влиянием гравитационного взаимодействия своих соседей, но и крупномасштабные структуры еще в большей степени растягиваются космическим расширением. Популярная аналогия – движение изюминок в очень большом пироге, находящемся в печи. Когда пирог подходит, расстояние между любой парой изюминок, погруженных в пирог, растет. Если мы вообразим, что одна конкретная изюминка представляет нашу галактику, то мы обнаружим, что все другие изюминки (галактики) удаляются от нас по всем направлениям. Наша Вселенная расширялась из горячего плотного космического супа, созданного в процессе Большого Взрыва, в куда более холодное и более разряженное собрание галактик и кластеров галактик, которой мы наблюдаем сегодня.
Чем дальше от Земли находится та или иная галактика, тем выше скорость ее удаления от нас и, соответственно, тем сильнее смещены к красному концу линии ее спектра.
Свет, испущенный звездами и газом в отдаленных галактиках, растягивается подобным же образом, удлиняя свою длину волны во время своего путешествия к Земле. Этот сдвиг в длине волны задается красным смещением , где — длина света на Земле и -длина волны испущенного света. Например, лайман альфа переход в атоме водорода характеризуется длиной волны нанометров (при возвращении в основное состояние). Этот переход можно обнаружить в излучении отдаленных галактик. В частности, он был использован для обнаружения рекордно большого красного смещения: ошеломляющее z=10 с линией лайман альфа при нанометров. Но красное смещение описывает только изменение в масштабах космоса при испускании и поглощении света и не дает прямой информации о расстоянии до излучателя или возрасте Вселенной, когда свет был испущен. Если мы знаем как расстояние до объекта, так и красное смещение, мы можем попытаться получить важную информацию о динамике расширения Вселенной.
Наблюдения сверхновых звезд обнаружили некоторую гравитационно-отталкивающую субстанцию, которая управляет ускорением Вселенной. Астрономы не первый раз столкнулись с проблемой недостающей материи. Светящиеся массы галактик оказались существенно меньше гравитирующих масс. Эта разница была восполнена темной материей – холодной нерелятивистской материи, в основном, вероятно, состоящей из частиц, слабо взаимодействующих с атомами и светом.
Однако наблюдения указывали, что полное количество материи во Вселенной, включая и темную материю, составляет всего 1/3 от полной энергии. Это было подтверждено исследованием миллионов галактик в рамках 2DF и SDSS проектов. Но общая теория относительности предсказывает, что имеется точная связь между расширением и энергетическим содержанием Вселенной. Мы, следовательно, знаем, что общая плотность энергии всех фотонов, атомов и темной материи должна быть дополнена до некоторого критического значения, определяемого постоянной Хаббла : . Загвоздка в том, чего нет, но это совсем другая история.
Краткая история темной энергии
Темная энергия, или нечто подобное ей, много раз возникала в истории космологии. Ящик Пандоры открыл Эйнштейн, который ввел космологическую постоянную в свои уравнения гравитационного поля. Космическое расширение тогда еще не было открыто и уравнения правильно «подсказывали», что Вселенная, содержащая материю, не может быть статичной без математического дополнения – космологической постоянной, которую принято обозначать . Эффект эквивалентен заполнению Вселенной морем отрицательной энергии, в котором дрейфуют звезды и туманности. Открытие расширения устранило необходимость этого ad hoc дополнения теории.
В последующие десятилетия отчаянные теоретики периодически вводили в попытке объяснить новые астрономические явления. Эти возвраты были всегда кратковременными и обычно заканчивались более правдоподобными объяснениями полученных данных. Однако с 60-х годов начала пробиваться идея того, что вакуумная (нулевая) энергия всех частиц и полей должна неизбежно генерировать слагаемое, подобное . Кроме того, есть основания полагать, что космологическая постоянная могла естественно возникнуть на ранних этапах эволюции Вселенной.
В 1980 была развита теория инфляции. В этой теории ранняя Вселенная испытала период ускоренного экспоненциального расширения. Расширение было обязано отрицательному давлению, обязанному новой частице – инфлатону. Инфлатон оказался очень успешным. Он разрешил много парадоксов в модели Большого Взрыва. К этим парадоксам относятся проблемы горизонта и плоскостности Вселенной. Предсказания теории хорошо согласовывались различными космологическими наблюдениями.
Темная энергия и будущее Вселенной
С открытием темной энергии сильно изменились представления о том, каким может быть отдаленное будущее нашей Вселенной. До этого открытия вопрос о будущем однозначно связывался с вопросом о кривизне трехмерного пространства. Если бы, как многие раньше считали, кривизна пространства на 2/3 определяла современный темп расширения Вселенной, а темная энергия отсутствовала, то Вселенная расширялась бы неограниченно, постепенно замедляясь. Теперь же понятно, что будущее определяется свойствами темной энергии.
Энергетический бюджет нашей Вселенной. Стоит обратить внимание на то, что на долю привычного вещества (планеты, звезды, весь окружающий нас мир) приходится всего 4 процента, всё остальное составляют «темные» формы энергии.
Еще более драматическая судьба ожидает Вселенную, если темная энергия — фантом, причем такой, что его плотность энергии возрастает неограниченно. Расширение Вселенной будет все более и более быстрым, оно настолько ускорится, что галактики будут вырваны из скоплений, звезды из галактик, планеты из Солнечной системы. Дело дойдет до того, что электроны оторвутся от атомов, а атомные ядра разделятся на протоны и нейтроны. Произойдет, как говорят, большой разрыв.
Такой сценарий, однако, представляется не очень вероятным. Скорее всего, плотность энергии фантома будет оставаться ограниченной. Но и тогда Вселенную может ожидать необычное будущее. Дело в том, что во многих теориях фантомное поведение — рост плотности энергии со временем — сопровождается неустойчивостями фантомного поля. В таком случае фантомное поле во Вселенной будет становиться сильно неоднородным, плотность его энергии в разных частях Вселенной будет разной, какие-то части будут быстро расширяться, а какие-то, возможно, испытают коллапс. Судьба нашей Галактики будет зависеть от того, в какую область она попадет. Все это, впрочем, относится к будущему, отдаленному даже по космологическим меркам. В ближайшие 20 миллиардов лет Вселенная будет оставаться почти такой же, как сейчас. У нас есть время для того, чтобы разобраться в свойствах темной энергии и тем самым более определенно предсказать будущее — а может быть, и повлиять на него.
Пару слов о себе
В настоящее время я профессионально занимаюсь космологией, наукой которая изучает наибольший из существующих объектов – всю Вселенную. В то же время я являюсь давним (и постоянным) читателем горячо любимого Хабра, который не перестает удивлять замечательными статьями по всем направлениям IT технологий. Однако, будучи представителем космологической науки, был сильно удивлен и расстроен тем, что нет подобного сайта и сообщества по космологической, достаточно современной и бурно развивающейся науке.
Мы захотели восполнить эту нишу, и создать сайт о современной космологии – ModCos. В силу ряда причин, не всё задуманное у нас вышло, но то что получилось, не кажется плохим, а возможно даже полезным.
Nota bene: Не являясь и не прибегая к помощи сторонних веб-разработчиков, сайт был написан нами с нуля, и был нашим первым блином.
Почему вселенная расширяется? И как долго?
Наша вселенная расширяется. С ускорением. Каждую секунду пространство между космическими галактиками растет все быстрее и быстрее.
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.
Когда автомобиль движется к нам, его звук меняется, а когда галактика движется, ее «цвет» меняется, и мы можем определить, приближается ли он к Земле или удаляется от нее.
Хаббл наблюдает за смещением видимого света галактик в красный спектр, что означает, что объект удаляется, и мы можем измерить его скорость. Это так называемый закон Хаббла, и скорость расширения сегодня известна как постоянная Хаббла (около 72 км в секунду на мегапарсек, равная 1 парсек = 31 триллион километров или 206 265 раз расстояния между Землей и Солнцем, и 1 мегапарсек = 1 миллион парсек).
Поэтому единственно возможное объяснение состоит в том, что пространство вселенной расширяется и не может быть статичным. И хотя эксперименты Хаббла являются эмпирическим доказательством, математическое изложение этого факта было сделано еще раньше бельгийским математиком Жоржем Ломмером в 1927 году. Перед лицом этого доказательства Эйнштейн отказался от космологической постоянной и даже назвал ее «самой большой ошибкой в его карьера».
Сегодня, однако, совершенно неожиданно, что нам снова нужна космологическая константа, хотя и немного другим способом.
Теория большого взрыва и эволюция вселенной
Как только станет ясно, что галактики убегают друг от друга, логично предположить, что в начале все они были сгруппированы в одном месте. Более того, мы можем предположить, что в самом начале вселенная была сжата в одну взорвавшуюся точку. Так рождается теория большого взрыва.
Сегодня это одна из широко признанных и проверенных теорий развития вселенной. Причина в ее огромной объяснительной силе. Действительно, если все когда-либо было собрано в одной точке, то это состояние должно быть с огромной температурой и невероятной плотностью. Моделирование таких условий является одной из задач современных ускорителей частиц, таких как Большой адронный ускоритель в ЦЕРНе. Объясняя появление химических элементов в результате Большого взрыва, Первичный нуклеосинтез, также является одним из больших успехов теоретической ядерной физики.
Космическое микроволновое фоновое излучение
Он взаимодействует только гравитационно, и мы не можем установить или доказать это каким-либо другим способом. По оценкам, его содержание составляет около 25 процентов от общей плотности вселенной, в то время как обычная, наша материя, составляет всего 4-5 процентов.
Хотя темную материю нельзя наблюдать непосредственно, ее присутствие было предложено Фрицем Цвицким в 1934 году для объяснения так называемой «Проблема с недостающей массой».
Оказывается, что галактики не могут быть стабильными и вращаться, как они это делают, если не существует огромного количества скрытой массы, удерживающей звезды в соединенной галактике. Результаты исследования космического фонового излучения однозначно подтверждают наличие большого количества темной материи.
Сегодня мы знаем, что Вселенная плоская с точностью до 0,5 процента. Это хорошо, но это также означает, что в зависимости от плотности вещества и энергии во вселенной у нас может быть другой конец эволюции пространства. Если общая плотность (так называемый космологический параметр Омеги) превышает критическую массу, Вселенная может сжаться в так называемую Большой крах, прямо противоположный большому взрыву. Или, наоборот, мы можем расширяться до бесконечности, пока сама вселенная не станет довольно холодной, пустынной и относительно скучной. Это теория Большого охлаждения.
Темная энергия и конечная судьба Вселенной
На самом деле, как мы можем знать, что произошло с пространством Вселенной, и что будет с ним в будущем? Поскольку скорость света ограничена, чем дальше находится объект, тем дольше свет должен будет добраться до нас. Например, путь света от нашего Солнца до Земли составляет чуть более 8 минут. Наблюдая с помощью наших телескопов далеких звезд, мы на самом деле видим прошлое, когда ловим свет, который давно покинул их и только сейчас достигает нас. Тогда, если мы знаем, что наблюдаем два одинаковых объекта, но на разном расстоянии, мы можем вывести изменение пространства между ними во времени.
Объекты, которые относительно «идентичны» в космосе, известны как стандартные свечи.
В частности, в 1997 году исследования сверхновых показали, что Вселенная расширяется с ускорением. Поскольку энергия вспышки всегда одна и та же, разница, которую мы наблюдаем (более тусклые или более яркие вспышки), обусловлена исключительно разницей в динамике пространства. Таким образом, мы можем получить карту эволюции пространства во времени. Оказывается, что в первые 8-9 миллиардов лет после взрыва Вселенная замедляется, как и следовало ожидать, а затем внезапно начинает расширяться с ускорением!
Тем не менее похоже, что Эйнштейн не так сильно ошибался.
Сегодня мы знаем, что темная энергия занимает около 70 процентов от общей плотности энергии Вселенной. Мы понятия не имеем, почему он начинает свое действие или какова его природа. Вполне возможно, что его сила будет уменьшаться или увеличиваться со временем.
В зависимости от этого, есть два сценария конца нашей вселенной. Если космологическая постоянная продолжает работать и расти, мы будем расширяться вечно. Если, наоборот, его сила уменьшается и гравитация побеждает, тогда концом нашего космоса может стать Великое Падение. Тогда, почему бы и нет, возможно, новая вселенная родится в новом космическом Большом Взрыве. Но пока это просто загадки, ответы на которые скоро будут раскрыты.
Ускоряющееся расширение Вселенной станет доступно прямому измерению в ближайшее десятилетие
Ускорение галактик, находящихся на разных красных смещениях z от 0 до 3. Черная линия — теоретическое предсказание на основе современной космологической картины (ΛCDM); штриховые линии — теоретические предсказания, обходящиеся совсем без темной энергии. Точки с погрешностями — ожидаемые экспериментальные результаты, которые сможет получить специализированный радиотелескоп нового поколения за десятилетие работы. Цветом выделена та область красных смещений, на которые ориентируется будущий эксперимент CHIME. Изображение из обсуждаемой статьи
Известно, что Вселенная расширяется, причем расширяется с ускорением. Однако все экспериментальные свидетельства в пользу ускорения были получены косвенными методами: для прямого наблюдения пока не хватает чувствительности телескопов. Расчеты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, показывают, что небольшая модификация строящихся сейчас радиотелескопов позволит вскоре напрямую обнаружить ускоренное расширение Вселенной.
Ускоряющееся расширение Вселенной и трудности его наблюдения
Астрономические наблюдения показывают, что Вселенная в целом расширяется. Далекие галактики движутся в сторону от нас, причем чем дальше они находятся, тем быстрее они от нас убегают. Этот факт, равно как и закон Хаббла, связывающий расстояние до галактик со скоростью их удаления от нас, известны уже почти век. Подробнее об измерениях, на которые опираются эти выводы, читайте в статье Откуда астрономы это знают?, в публичной лекции Джона Мазера и в большом списке вопросов и ответов по космологии.
Относительно недавно было также обнаружено, что Вселенная сейчас расширяется с ускорением. Первые наблюдательные результаты в пользу этого появились в 1998 году, и после десятилетия критических проверок и независимых подтверждений этот вывод тоже стал установленным фактом в космологии. Нобелевская премия по физике за 2011 год была присуждена как раз за это открытие. В рамках современной космологической картины мира за это ускоряющееся расширение отвечает не обычное вещество и даже не загадочная темная материя, а совершенно особенная субстанция, названная темной энергией.
Астрономические наблюдения, подтверждающие ускоряющееся расширение Вселенной, разнообразны. Однако надо четко понимать, что все эти наблюдения — косвенные. Мы не видим напрямую, что темп расширения Вселенной растет со временем. Мы имеем лишь каталог объектов, находящихся на разных расстояниях от нас, измеряем их скорости и яркости, пытаемся сравнить получившееся распределение с теоретическими расчетами и понимаем, что весь набор данных не удается объяснить простым равномерным расширением. Зато предположение о темной энергии, которое подтверждают и другие космологические данные, отлично с этим описанием справляется.
Тем не менее для пущей достоверности, для железной гарантии факт ускоряющегося расширения Вселенной полезно измерить и напрямую. Это можно сделать с помощью так называемого теста Сэндиджа–Лоуба (Sandage–Loeb test). Выглядит он довольно просто. Мы следим за каким-то далеким объектом и измеряем его скорость удаления с помощью эффекта Доплера. Если свет был испущен источником на одной длине волны, а мы его регистрируем на другой, большей, то их отношение даст нам величину красного смещения источника z, а оно позволяет найти скорость его удаления. Если такое измерение проводить раз за разом в течение нескольких лет, то рано или поздно мы заметим, что красное смещение растет — источник света ускоряется относительно нас. При таком измерении нам не требуется сравнивать разные объекты, оценивать расстояние до них или измерять их яркость. Достаточно лишь следить за красным смещением одного и того же объекта, но в течение долгого времени. Поскольку спектроскопические измерения очень точны, а сам источник никуда не девается, казалось бы, проблем с этим измерением быть не должно.
Однако чуть более внимательный взгляд вскрывает ряд трудностей. Во-первых, предполагаемое ускорение должно быть очень маленьким. В качестве самой грубой оценки можно взять скорость света деленную на возраст Вселенной (13 млрд лет), это даст примерно 2 (см/с)/год, то есть около 10 −10 от ускорения свободного падения за Земле. Такого порядка было бы ускорение у объектов на больших красных смещениях z — при условии, что они действительно ускоряются.
Однако тут всплывает вторая трудность. Ускоренным расширение было не всегда. Ускорение началось относительно недавно по космологическим масштабам, когда возраст Вселенной составлял уже 10 млрд лет. До этого Вселенная расширялась с замедлением: гравитационное притяжение тогда еще преобладало над расталкивающим эффектом темной энергии. Поэтому если мы будем наблюдать далекие галактики с z > 2, то мы будем видеть их еще в ту далекую эпоху, когда ускорения еще не было. Так что для прямого наблюдения ускорения приходится смотреть лишь на довольно близкие объекты, только они уже ускоряются для наших сегодняшних наблюдений. А раз они близки, то и ускорение у них будет еще меньше; вычисления показывают, что оно не будет превышать 0,4 (см/с)/год (см. рисунок).
Третья трудность возникает из банального факта, что галактики взаимодействуют друг с другом. Это значит, что у них есть и обычное ускорение, вызванное гравитационным притяжением и вовсе не связанное с ускоренным расширением Вселенной. Его тоже надо принимать во внимание, чтоб не спутать его искомым космологическим эффектом. Да и сама Солнечная система, а значит, и приборы наблюдения, тоже испытывает центростремительное ускорение, направленное к центру нашей галактики. К счастью, это собственное ускорение легко контролируется с помощью периодов пульсаров.
Четвертая трудность вызвана уже внутренним движением светящегося вещества внутри источника. Свет от далекой галактики — это совокупность свечения большого числа объектов или протяженных областей. У всех них есть какие-то свои скорости движения внутри галактики, которые то складываются, то вычитаются из скорости самой галактики. Даже внутри одного горячего источника есть атомы, которые в момент излучения движутся с большими скоростями на нас или от нас. Поэтому даже если все они в своих системах отсчета излучают свет на какой-то одной длине волны, мы будем наблюдать не узкую, а слегка размытую линию излучения. Из-за этого неизбежного доплеровского размытия заметить ничтожный космологический сдвиг линии излучения будет очень трудно.
Прямое измерение ускорения в радиолинии водорода
В статье Method for Direct Measurement of Cosmic Acceleration by 21-cm Absorption Systems, опубликованной на днях в журнале Physical Review Letters, описывается метод прямого измерения ускоренного расширения Вселенной, позволяющий частично преодолеть эти трудности. Сам по себе этот метод тоже не нов, однако до сих пор не было особой уверенности, что он позволит за разумные сроки привести к надежному обнаружению ускорения. Приведенные в статье расчеты демонстрируют, что это действительно так, если только внести некоторые модификации в строящиеся сейчас радиотелескопы нового поколения.
Здесь используется по сути тот же эффект, но только не для линий излучения, а для линий поглощения, и кроме того — не для оптического диапазона, а для радиоизлучения на длине волны 21 см. Число это взято вовсе не с потолка. Знаменитая спектральная линия 21 см возникает в результате перескока электрона в атоме водорода между двумя очень близкими уровнями энергии, разделенными за счет сверхтонкого расщепления. Радионаблюдения неба на этой длине волны позволяют картографировать протяженные облака нейтрального атомарного водорода в галактиках. Если достаточно плотное облако водорода находится на пути радиоизлучения от какой-то еще более далекой галактики, мы видим линию поглощения — провал интенсивности радиосигнала на этой длине волны. Сравнивая измеренную длину волны с номинальной, мы по доплеровскому эффекту получаем скорость облака водорода.
В статье описано несколько преимуществ радионаблюдений на 21 см по сравнению с обычными оптическими. Во-первых, сама по себе эта линия исключительно узкая и ее положение известно с огромной точностью. Во-вторых, она возникает в облаке холодного водорода, поскольку горячий водород не оставался бы нейтральным газом. Это значит, что скорость движения отдельных атомов невелика и размытие линии получается намного меньше, чем для горячего источника.
В-третьих, сейчас строится целое семейство радиотелескопов, которые в ближайшие годы начнут наблюдать Вселенную как раз в радиолинии нейтрального водорода и на нужных красных смещениях. Это, например, канадский эксперимент CHIME, который должен заработать в следующем году, или, в более отдаленной перспективе, гигантский проект SKA с площадью радиоантенн в квадратный километр. Их основные задачи связаны с изучением пространственного распределения водорода во Вселенной, но, как поясняют авторы статьи, их можно адаптировать и для детектирования ускоренного расширения. Для этого потребуется еще больше повысить спектральное разрешение телескопа, а также гарантировать стабильность частоты на уровне 10 −11 за десятилетие. В принципе, это реализуемо с помощью современных стандартов частоты, однако их необходимо внедрять в проекты уже сейчас, на этапе строительства радиотелескопов.
Надо сказать, что попытки измерить ускорение с помощью этой же линии 21 см уже предпринимались. Последний результат здесь датируется 2012 годом. Радионаблюдения в течение 13 лет за десятком объектов, расположенных на красных смещениях от 0,09 до 0,69, дало следующий результат для ускорения: −5,5±2,2 (м/с)/год (заметьте — м/с, а не см/с!). Знак минус означает не ускорение, а замедление, что на первый взгляд противоречит ускоряющемуся расширению, однако из-за большой погрешности никаких окончательных выводов тут делать не следует. Чтобы почувствовать предсказываемое ускоренное расширение Вселенной, чувствительность эксперимента следует увеличить на три порядка. Авторы статьи уверяют, что это возможно. Выигрыш тут будет не только в новых, более чувствительных радиотелескопах, но и в огромном числе (порядка миллиона) конкретных объектов с нейтральным водородом, за которыми будет одновременно вестись наблюдение. Усреднение по всем им позволит резко уменьшить погрешность.
Оценки для эксперимента CHIME показывают, что за 10 лет работы можно будет зарегистрировать ускоренное расширение Вселенной на уровне статистической значимости 5 стандартных отклонений. Для проекта SKA речь уже идет о считанных годах. Стоит подчеркнуть, что это измерение не ограничивается одним лишь фактом наблюдения ускорения, а позволит еще и измерить в деталях, как оно зависит от красного смещения. Это значит, что откроется возможность напрямую проверять разные теоретические модели темной энергии, в том числе и экзотические модели гравитации. Иными словами, в арсенале космологов появится еще один мощный инструмент исследования.