"Астрономия (базовый уровень)", Чаругин В.М.
Расширение Вселенной — это увеличение расстояний между далёкими галактиками по мере изменения масштабов пространства. Наблюдения сверхновых типа Ia показали, что в далёком прошлом расширение шло иначе, чем предсказывает простая модель с одним лишь замедляющим действием обычного вещества и излучения. Для описания обнаруженного ускорения учёные используют понятие тёмной энергии. Космологическая постоянная — наиболее простая модель такого компонента, но не доказанное объяснение его природы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ускоренное расширение Вселенной — увеличение скорости, с которой растут расстояния между далёкими галактиками. Это описывает изменение масштабов пространства, а не разгон галактик сквозь него, как тел по дороге. Понятие нужно, чтобы отличать нынешнюю скорость расширения от того, как она менялась за историю Вселенной.
Тёмная энергия — название неизвестного компонента Вселенной, которым объясняют наблюдаемое ускорение расширения. Слово «тёмная» здесь указывает на то, что её природа не установлена, а не на конкретный вид вещества или частиц. Это понятие позволяет сопоставлять наблюдения с космологическими моделями, не выдавая гипотезу о составе за доказанный факт.
Космологическая постоянная — компонент с постоянной плотностью, который в простейшей модели соответствует тёмной энергии и может приводить к ускоренному расширению. В отличие от обычного вещества, при увеличении объёма пространства его плотность не становится меньше. Эта модель нужна для расчётов, но её успешность не означает, что природа тёмной энергии окончательно выяснена.
Сверхновые типа Ia вспыхивают с близкой по величине истинной светимостью, поэтому астрономы могут использовать их как ориентиры для измерения расстояний. Чем дальше такой объект, тем слабее он выглядит с Земли; сравнение наблюдаемой яркости с ожидаемой позволяет оценить его удалённость. Учёные сопоставляют расстояния до сверхновых с их красным смещением, которое показывает, насколько расширилась Вселенная за время, пока свет шёл к нам. Далёкие сверхновые оказались слабее, чем ожидалось в моделях замедления, и это стало свидетельством ускоренного расширения.
Закон Хаббла связывает расстояние до галактики с её скоростью удаления в данный период, но это соотношение само по себе не рассказывает, как скорость менялась раньше. Одинаковую картину для наблюдаемого момента могут давать модели с разной историей расширения. Чтобы выяснить динамику, нужны объекты на разных расстояниях: их свет отправился к нам в разные эпохи и сохранил сведения о расширении в прошлом. Поэтому важны не только расстояния и скорости, но и сравнение данных для разных времён.
Обычное вещество притягивает другие массы, а излучение тоже влияет на гравитационную динамику Вселенной. Такое гравитационное действие препятствует расширению и в моделях без дополнительного компонента приводит к его замедлению. Если наблюдения показывают ускорение, значит, одного обычного вещества и излучения для описания истории расширения недостаточно. В модель вводят компонент с подходящими свойствами, способный изменить динамику в противоположную сторону.
При расширении объём пространства увеличивается, поэтому количество обычного вещества в заданном сопутствующем объёме распределяется по большему объёму и его плотность уменьшается. Излучение разрежается так же, а его плотность падает ещё быстрее, поскольку при расширении увеличиваются длины волн и уменьшается энергия фотонов. Для космологической постоянной предполагается иное: её плотность остаётся прежней в каждом объёме пространства. Поэтому даже если сначала её вклад был небольшим, со временем он становится сравнительно важнее и может влиять на расширение сильнее.
Сверхновые дают сведения о расстояниях и об истории расширения, а реликтовое излучение сохраняет картину ранней Вселенной. Наблюдения крупномасштабной структуры — распределения галактик и скоплений — помогают проверить, как Вселенная росла и менялась со временем. Когда эти независимые данные сопоставляют, модель с ускоренным расширением описывает их согласованнее, чем простые модели без такого ускорения. Однако совпадение модели с наблюдениями подтверждает её полезность, а не раскрывает микроскопическую природу тёмной энергии.
| Компонент | Как меняется плотность при расширении | Влияние на расширение | Как изучают |
|---|---|---|---|
| Обычное вещество | Уменьшается: количество вещества распределяется по растущему объёму. | Гравитация вещества способствует замедлению расширения. | Наблюдают галактики и скопления, измеряют их массу и распределение. |
| Излучение | Уменьшается быстрее плотности вещества: пространство расширяется, а длины волн растут. | Гравитационное действие излучения способствует замедлению расширения. | Изучают, в частности, реликтовое излучение и его свойства. |
| Тёмная энергия в модели космологической постоянной | Остаётся постоянной. | В этой модели приводит к ускоренному расширению. | Проверяют по сверхновым, реликтовому излучению и крупномасштабной структуре. |
Сравнивайте сначала изменение плотности: именно оно помогает понять, какой компонент становится относительно важнее при расширении. Затем сопоставляйте его влияние с наблюдаемой историей Вселенной. Последний столбец показывает, что выводы получают не из одного вида наблюдений.
Условие. Объясните, почему измерение скорости удаления одной далёкой галактики не позволяет установить, ускоряется ли расширение Вселенной. Нужно отличить наблюдаемое соотношение расстояния и скорости от сведений об изменении расширения со временем. Для ответа достаточно проследить, какую именно информацию даёт единичное измерение.
Измерение показывает расстояние до галактики и её скорость удаления в соответствующую эпоху. Это характеристика расширения в данный момент, а не запись того, как скорость менялась раньше.
Одна пара величин не задаёт историю расширения: модели могут иметь сходное соотношение расстояния и скорости, но различаться в прошлом. Чтобы сравнить модели, нужны наблюдения объектов на разных расстояниях.
Свет от далёких объектов шёл дольше, поэтому мы видим их такими, какими они были в разные эпохи. Сопоставляя их данные, можно выяснить, менялась ли скорость расширения.
Ответ. Одно измерение даёт лишь текущее соотношение расстояния и скорости, но не показывает, ускорялось расширение или замедлялось. Для вывода о его динамике сравнивают наблюдения из разных эпох.
Условие. В модели космологической постоянной плотность вещества при увеличении объёма Вселенной уменьшается, а плотность тёмной энергии остаётся постоянной. Объясните, почему относительный вклад тёмной энергии со временем растёт. Не следует путать изменение доли компонента с обязательным увеличением его собственной плотности.
При расширении тот же объём пространства содержит меньше обычного вещества, поэтому его плотность падает. Плотность космологической постоянной по предположению модели не меняется.
Сравним компоненты: одна плотность уменьшается, другая остаётся прежней. Даже без увеличения плотности постоянной её доля в общей плотности Вселенной становится больше.
Следовательно, влияние космологической постоянной может становиться всё заметнее по сравнению с влиянием вещества. Это объясняет, почему данный компонент связывают с поздним ускоренным расширением.
Ответ. Плотность вещества падает при расширении, а плотность космологической постоянной остаётся неизменной. Поэтому относительный вклад тёмной энергии возрастает, хотя её собственная плотность не растёт.
Условие. Сверхновая типа Ia наблюдается слабее, чем ожидалось для модели замедляющегося расширения. Объясните, какую гипотезу поддерживает это наблюдение и почему одного измерения недостаточно, чтобы установить природу тёмной энергии. В рассуждении разделите свидетельство ускорения и объяснение его причины.
При известной истинной светимости меньшая видимая яркость обычно означает, что объект находится дальше. Поэтому неожиданно слабая сверхновая указывает на большее расстояние, чем предсказывает выбранная модель замедления.
Сопоставление расстояний до сверхновых разных эпох с красным смещением позволяет восстановить историю расширения. Такие наблюдения поддерживают гипотезу, что расширение ускоряется.
Яркость одной сверхновой не показывает, какой физический компонент вызвал ускорение. Даже множество наблюдений проверяет свойства моделей, но для установления природы тёмной энергии нужны дополнительные физические объяснения и проверки.
Ответ. Слабая яркость поддерживает модель ускоренного расширения, поскольку означает большее расстояние, чем ожидалось при замедлении. Она не доказывает, что ускорение вызвано именно космологической постоянной или каким-либо конкретным видом частиц.
Первая ошибка — представлять ускорение расширения как ускорение галактик сквозь пространство. Такое толкование возникает из привычного образа разлетающихся тел, но космологический эффект относится к росту масштабов пространства. Проверка: спросите себя, говорится ли о движении отдельной галактики или о расстояниях между множеством далёких галактик.
Вторая ошибка — считать, что тёмная энергия уже известна как вещество с определёнными частицами. Название обозначает компонент, нужный для описания наблюдений, а не установленную микроскопическую модель. Чтобы проверить себя, отделяйте измеренный эффект от предположений о его физической причине.
Третья ошибка — заключать, что Вселенная ускоренно расширяется просто потому, что галактики удаляются. Удаление наблюдалось и в моделях, где расширение замедляется; решающее значение имеет изменение его скорости во времени. Проверяйте, есть ли в рассуждении данные из разных эпох, а не только факт удаления.
Четвёртая ошибка — отождествлять тёмную энергию с космологической постоянной. Постоянная плотность — лишь простейшая модель тёмной энергии, а не доказанное единственное объяснение ускорения. Проверить себя можно вопросом: утверждает ли вывод, что модель описывает данные, или что природа компонента уже точно установлена?
Для понимания ускоренного расширения нужны закон Хаббла и красное смещение: они связывают наблюдаемые галактики с расширением пространства. Представления о гравитации и составе Вселенной помогают объяснить, почему вещество влияет на расширение иначе, чем предполагаемая тёмная энергия. Позже эти идеи пригодятся при сравнении космологических моделей и изучении возраста и будущей эволюции Вселенной.
Что именно означает ускоренное расширение Вселенной?
Это означает, что со временем скорость роста расстояний между далёкими галактиками увеличивается. Речь не о том, что галактики разгоняются сквозь неподвижное пространство: меняется масштаб самого пространства.
Как по наблюдениям сверхновых узнали, что расширение ускоряется?
Сверхновые типа Ia используют как ориентиры: по их известной светимости можно оценить расстояние, сравнив её с наблюдаемой яркостью. Далёкие сверхновые оказались слабее, чем ожидалось в моделях замедляющегося расширения, а значит, расстояние до них и история расширения требуют модели с ускорением.
Почему тёмную энергию называют тёмной?
Название не означает, что это просто обычное вещество, которое не излучает свет. Так обозначают неизвестный компонент, введённый для описания ускоренного расширения; его физическая природа пока не установлена.
Чем тёмная энергия отличается от космологической постоянной?
Тёмная энергия — общее название компонента, которым описывают ускорение расширения. Космологическая постоянная — конкретная, простейшая модель этого компонента с неизменной плотностью.
Известно ли, из чего состоит тёмная энергия?
Нет, её микроскопический состав и природа неизвестны. Наблюдения дают основания говорить об ускорении и ограничивают свойства тёмной энергии, но сами по себе не раскрывают, чем она является.
37. Ускоренное расширение Вселенной и тёмная энергия
