Сусвет, якая пашыраецца, поўная галактык і складанай структуры, якую мы бачым сёння, узнікла з меншага, больш гарачага, шчыльнага і больш раўнамернага стану ў мінулым. Павінна з'явіцца новая форма энергіі, якая рухае бягучай фазай паскоранага пашырэння, за межамі вядомай матэрыі і выпраменьвання. (К. Фошер-Жыгер, А. Лідз і Л. Эрквіст, навука 319, 5859 (47))

Кантэрынтны прычына, чаму цёмная энергія робіць Сусвет паскораным

20 гадоў таму мы выявілі, што далёкія галактыкі паскараюцца ад нас. Вось як Сусвет стварае гэта.

Матэрыя і энергія падказваюць прасторы часу, як крывіць; выгнуты касмічны час падказвае матэрыі і энергіі, як рухацца. Гэта асноўнае правіла Агульнай адноснасці, і яно распаўсюджваецца на ўсё, што ёсць у Сусвеце, уключаючы ўвесь Сусвет. У канцы 1990-х мы сабралі дастаткова дадзеных з далёкіх галактык Сусвету, каб зрабіць выснову, што яны не проста аддаляліся ад нас, іх спад паскараўся. Тканіна прасторы не проста пашыралася, але пашыралася.

Графік відавочнай хуткасці пашырэння (вось у) супраць адлегласці (вось х) адпавядае Сусвету, які пашыраўся хутчэй у мінулым, але працягвае пашырацца і сёння. Гэта сучасная версія, якая распаўсюджваецца ў тысячы разоў далей, чым арыгінальная праца Хабла. Звярніце ўвагу на тое, што кропкі не ўтвараюць прамую лінію, што сведчыць пра змену хуткасці пашырэння з цягам часу. (Нэд Райт, заснаваны на апошніх дадзеных ад Betoule et al. (2014))

Адзінае тлумачэнне было тое, што ў Сусвеце павінна быць больш у плане матэрыі і энергіі, чым тое, што мы рабілі раней. У Сусвет, якая пашыраецца, - як у той, у якой мы жывем, - гэта не проста крывізна, якая вызначаецца матэрыяламі і энергіяй, а тое, як з часам мяняецца хуткасць пашырэння. Кампаненты Сусвету, пра якія мы ведалі да 20 гадоў таму, былі звычайнай матэрыяй, цёмнай матэрыяй, нейтрына і выпраменьваннем. Сусвет можа выдатна пашырацца з дапамогай гэтых, але далёкія галактыкі павінны толькі запавольвацца.

Назіранне за паскарэннем азначала, што там нешта іншае і што яно было не проста; яна была дамінуючай.

Крывізна космасу, выкліканая планетамі і Сонцам у нашай Сонечнай сістэме, павінна ўлічвацца пры любых назіраннях, зробленых касмічным апаратам ці іншай абсерваторыяй. Эфекты агульнай адноснасці, нават тонкія, нельга ігнараваць. (NASA / JPL-Caltech, для місіі Касіні)

Фізічна тое, што адбываецца ў Агульнай адноснасці, заключаецца ў тым, што тканіна прасторы сама па сабе станоўча ці адмоўна адгінаецца ў адказ на пытанне, якое збіваецца ў ёй і кластае. Такая планета, як Зямля ці зорка, як наша Сонца, прымусіць тканіна космасу перакручвацца, у той час як больш шчыльны і масіўны аб'ект выкліча космас больш крыва. Калі ў вашым Сусвеце ёсць некалькі кавалкаў матэрыі, гэтага апісання будзе дастаткова.

З іншага боку, калі ў Сусвеце шмат мас, якія размяркоўваюцца прыблізна раўнамерна па ўсім, увесь касмічны час адчувае глабальны гравітацыйны эфект. Калі б Сусвет не пашыралася, гравітацыя прывяла б да таго, каб усё разбурылася да адной кропкі. Той факт, што Сусвет не зрабіў гэтага, дазваляе адразу зрабіць выснову, што нешта перашкодзіла распаду. Альбо нешта супрацьдзейнічае гравітацыі, альбо Сусвет пашыраецца.

Існуе вялікі набор навуковых доказаў, якія падтрымліваюць карціну пашырэння Сусвету і Вялікага выбуху. Невялікая колькасць уваходных параметраў і вялікая колькасць поспехаў і прагнозаў назіранняў, якія былі пасля правераны, з'яўляюцца адметнымі рысамі паспяховай навуковай тэорыі. Ураўненне Фрыдмана апісвае ўсё гэта. (НАСА / GSFC)

Тут упершыню ўзнікла ўся ідэя Вялікага выбуху. Калі мы бачым матэрыю прыблізна ў роўных колькасцях усюды, ва ўсіх напрамках і на адлегласці, блізкія, прамежкавыя і далёкія, мы ведаем, што павінна быць неверагодна вялікая гравітацыйная сіла, якая спрабуе сабраць іх назад. Паколькі Сусвет яшчэ не ўзгадаў (і не знаходзіцца ў працэсе ўзгаднення), гэта пакідае толькі два варыянты: гравітацыя няправільная, альбо Сусвет пашыраецца.

Улічваючы, што Агульная адноснасць прайшла ўсе выпрабаванні, якія мы накінулі, цяжка сказаць, што гэта няправільна. Тым больш, што з Сусветнай, поўнай матэрыі і выпраменьвання, усё, што вам трэба, - гэта пачатковая экспансія для таго, каб мець Сусвет, якая ёсць сёння:

  • пашыраецца,
  • астуджэнне,
  • становіцца менш шчыльным,
  • поўны чырвонага святла,
  • і мела гарачае, шчыльнае мінулае.

Сусвет, народжаны гарачым, шчыльным і пашыраецца, але які быў напоўнены матэрыяй і энергіяй, выглядаў бы вельмі падобна да сённяшняй нашай Сусветы.

Чаканыя лёсы Сусвету (тры лепшыя ілюстрацыі) адпавядаюць Сусвету, дзе матэрыя і энергія змагаюцца з пачатковай хуткасцю пашырэння. У нашай назіральнай Сусвеце касмічнае паскарэнне выклікана нейкай цёмнай энергіяй, якая да гэтага часу невытлумачальная. Усе гэтыя Сусветы кіруюцца ўраўненнямі Фрыдмана. (Э. Зігель / За Галактыкай)

Пашырэнне пачынаецца хутка, і гравітацыя працуе, каб сцягваць рэчы разам. Змушае вас думаць, што ёсць тры магчымасці таго, як Сусвет будзе развівацца з цягам часу:

  1. Гравітацыя перамагае: Сусвет пашыраецца хутка, каб пачаць, але ёсць дастаткова сілы, каб у рэшце рэшт усё зблізіцца. Пашырэнне дасягае максімуму, спыняецца і разварочваецца, каб прывесці да ўзгадвання.
  2. Гравітацыя і пашырэнне: Першапачатковае пашырэнне і гравітацыя сапраўды процідзейнічаюць адзін аднаму. З яшчэ адным пратонам у Сусвеце ён зноў узнікне, але гэтага пратона няма. Замест гэтага, асімптоты хуткасці пашырэння да нулявых і далёкіх галактык проста адыходзяць усё павольней.
  3. Перамога пашырэння: хуткаму пашырэнню процідзейнічае гравітацыя, але недастаткова. З цягам часу галактыкі працягваюць аддаляцца адна ад адной, і калі гравітацыя запавольвае пашырэнне ўніз, яна ніколі не спыняецца.

Але тое, што мы на самай справе назіраем, з'яўляецца чацвёртым. Мы бачым, што Сусвет апынулася на гэтым "крытычным" шляху ў першыя некалькі мільярдаў гадоў, а потым раптам далёкія галактыкі пачалі адступаць хутчэй ад адной. Тэарэтычна, ёсць пераканаўчая прычына, чаму гэта можа быць.

Фотаздымак мяне ў гіперкаліцы Амерыканскага астранамічнага таварыства ў 2017 годзе разам з першым ураўненнем Фрыдмана справа. (Інстытут перыметра / Харлі Тронсан)

Існуе вельмі простае (ну, для адноснасці) раўнанне, якое рэгулюе, як Сусвет пашыраецца: першае раўнанне Фрыдмана. Хоць гэта можа выглядаць складана, тэрміны ў раўнанні маюць значэнні ў рэальным свеце, якія лёгка зразумець.

Першае раўнанне Фрыдмана, як гэта традыцыйна пішацца сёння (у сучасных пазначэннях), дзе левы бок падрабязна распісвае хуткасць Хабла і эвалюцыю прасторы-часу, а правы бок уключае ўсе розныя формы матэрыі і энергіі, а таксама прасторавую крывізну. ( LaTeX / агульнадаступнае)

У левай частцы вы маеце эквівалент хуткасці пашырэння (у квадраце), альбо тое, што ў гутарцы называюць канстантай Хабла. (Гэта сапраўды не стала, бо ён можа змяняцца па меры пашырэння Сусвету альбо скарачэння з цягам часу.) Гэта паведамляе вам пра тое, як тканіна Сусвету пашыраецца або скарачаецца як функцыя часу.

З правага боку знаходзіцца літаральна ўсё астатняе. Там ёсць усё рэчыва, выпраменьванне і любыя іншыя формы энергіі, якія ўваходзяць у Сусвет. Там сама крывізна ўласцівая самому прасторы, залежыць ад таго, зачынена Сусвет (станоўча выгнутая), адкрытая (адмоўна выгнутая) альбо плоская (нязломленая). А яшчэ ёсць тэрмін "Λ": касмалагічная канстанта, якая можа быць альбо формай энергіі, альбо можа быць уласцівай прасторы.

Наколькі матэрыя (уверсе), выпраменьванне (у сярэдзіне) і касмалагічная канстанта (знізу) эвалюцыянуюць з часам у Сусвеце, якая пашыраецца. (Э. Зігель / За Галактыкай)

Гэтыя дзве бакі павінны быць роўнымі. Мы думалі, што пашырэнне Сусвету запаволіцца, паколькі, калі Сусвет пашыраецца, шчыльнасць энергіі (з правага боку) падае, і таму хуткасць пашырэння прасторы павінна знізіцца. Але калі ў вас ёсць касмалагічная пастаянная ці нейкая іншая форма цёмнай энергіі, шчыльнасць энергіі можа не знізіцца наогул. Ён можа заставацца пастаянным ці нават павялічвацца, а гэта азначае, што хуткасць пашырэння таксама застанецца пастаяннай або павялічыцца.

У любым выпадку, гэта будзе азначаць, што далёкая галактыка, як бы аддаляецца ад нас, будзе паскарацца. Цёмная энергія не прымушае Сусвет паскарацца з-за ціску вонкі ці антыгравітацыйнай сілы; ён прымушае Сусвет паскарацца з-за таго, як змяняецца яго шчыльнасць энергіі (ці, дакладней, не мяняецца), калі Сусвет працягвае пашырацца.

Розныя магчымыя лёсы Сусвету, з нашага сапраўднага, паскаральнага лёсу, паказанага справа. Калі пройдзе дастаткова часу, паскарэнне пакіне кожную звязаную галактычную або звышгалактычную структуру, цалкам ізаляваную ва Сусвеце, паколькі ўсе астатнія структуры паскараюцца назад. (НАСА і ЕКА)

Па меры пашырэння Сусвету ствараецца ўсё больш прасторы. Паколькі цёмная энергія - гэта энергія, уласцівая прасторы, то, калі мы робім больш месца, шчыльнасць энергіі не падае. Гэта ў корані адрозніваецца ад звычайнай матэрыі, цёмнай матэрыі, нейтрына, выпраменьвання і ўсяго іншага, што мы ведаем. Такім чынам, гэта ўплывае на хуткасць пашырэння іншым спосабам, чым усе гэтыя іншыя віды матэрыі і энергіі.

Гэтая дыяграма паказвае, у маштабе, як прасторавы час развіваецца / пашыраецца за аднолькавыя крокі часу, калі ў Вашай Сусвеце пераважаюць рэчыва, выпраменьванне ці энергія, уласцівая самому космасу, прычым апошняя адпавядае нашай Сусвеце, дзе пераважае цёмная энергія. (Э. Зігель)

У двух словах, новая форма энергіі можа па-новаму паўплываць на хуткасць пашырэння Сусвету. Усё залежыць ад таго, як з часам мяняецца шчыльнасць энергіі. У той час як рэчыва і выпраменьванне становяцца менш густымі, калі Сусвет пашыраецца, прастора па-ранейшаму застаецца прасторай, і ўсюды ёсць аднолькавая шчыльнасць энергіі. Адзінае, што змянілася, гэта наша аўтаматычная здагадка, якую мы зрабілі: энергія павінна быць роўнай нулю. Ну, паскараючы Сусвет кажа нам, што гэта не нуль. Самая вялікая задача, з якой сутыкаюцца астрафізікі, - гэта высветліць, чаму гэта мае значэнне. На гэтым фронце цёмная энергія па-ранейшаму застаецца самай вялікай загадкай у Сусвеце.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".