Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Темна енергія



План:


Введення

Склад Всесвіту за даними WMAP

Темна енергія ( англ. dark energy ) В космології - феномен, що пояснює факт, що Всесвіт розширюється з прискоренням. [1]

Існує два варіанти пояснення сутності темної енергії:

Остаточний вибір між двома варіантами вимагає високоточних вимірів швидкості розширення Всесвіту, щоб зрозуміти, як ця швидкість змінюється з часом. Темпи розширення Всесвіту описуються космологічним рівнянням стану. Дозвіл рівняння стану для темної енергії є однією з найбільш нагальних завдань сучасної спостережної космології.

Темна енергія також повинна складати значну частину так званої прихованої маси Всесвіту. [3]


1. Відкриття темної енергії

На підставі проведених наприкінці 1990-х років спостережень наднових зірочок типу Ia був зроблений висновок, що розширення Всесвіту прискорюється з часом. Потім ці спостереження були підкріплені іншими джерелами: вимірами реліктового випромінювання, гравітаційного лінзування, нуклеосинтезу Великого Вибуху. Всі отримані дані добре вписуються в лямбда-CDM модель.


1.1. Наднові зірки й прискореної Всесвіт

Відстані до інших галактик визначаються виміром їх червоного зсуву. За закону Хаббла, величина червоного зсуву світла віддалених галактик прямо пропорційна відносної швидкості цих галактик. Співвідношення між відстанню і величиною червоного зміщення називається параметром Хаббла (або, не зовсім точно, постійної Хаббла).

Однак саме значення параметра Хаббла потрібно спочатку яким-небудь способом встановити, а для цього потрібно виміряти значення червоного зсуву для галактик, відстані до яких вже обчислені іншими методами. Для цього в астрономії застосовуються "стандартні свічки", тобто об'єкти, світність яких відома. Кращим типом "стандартної свічки" для космологічних спостережень є наднові зірки типу Ia. Вони мають дуже високою яскравістю і спалахують тільки тоді, коли маса старої зірки типу " білий карлик "досягає межі Чандрасекара, значення якого відоме з високою точністю. Отже, всі спалахують наднові типу Ia, що знаходяться на однаковій відстані, повинні мати майже однакову спостережувану яскравість; при цьому бажано робити поправки на обертання і склад вихідної зірки. Порівнюючи спостережувану яскравість наднових в різних галактиках, можна визначити відстані до цих галактик.

В кінці 1990-х років було виявлено, що у віддалених галактиках, відстань до яких було визначено за законом Хаббла, наднові типу Ia мають яскравість нижче тієї, яка їм належить. Іншими словами, відстань до цих галактик, обчислена за методом "стандартних свічок" (наднових Ia), виявляється більше відстані, обчисленого на підставі раніше встановленого значення параметра Хаббла. Був зроблений висновок, що Всесвіт не просто розширюється, вона розширюється з прискоренням.

Раніше існували космологічні моделі припускали, що розширення Всесвіту сповільнюється. Вони виходили з припущення, що основну частину маси Всесвіту складає матерія - як видима, так і невидима ( темна матерія). На підставі нових спостережень, що свідчать про прискорення розширення, було постульовано існування невідомого виду енергії з негативним тиском (див. рівняння стану). Її назвали "темною енергією".


1.2. Темна енергія та прихована маса

Гіпотеза про існування темної енергії (чим би вона не була) вирішує і так звану "проблему невидимої маси ". Теорія нуклеосинтезу Великого Вибуху пояснює формування в молодому Всесвіті легких хімічних елементів, таких як гелій, дейтерій і літій. Теорія великомасштабної структури Всесвіту пояснює формування структури Всесвіту: освіта зірочок, квазарів, галактик і галактичних скупчень. Обидві ці теорії припускають, що щільність баріонної матерії і темної матерії складає близько 30% від критичної щільності, необхідної для утворення "закритої" Всесвіту, тобто щільності, необхідної, щоб форма Всесвіту була плоскою. Вимірювання реліктового випромінювання Всесвіту, нещодавно проведені супутником WMAP, показують, що форма Всесвіту дійсно дуже близька до плоскої. Отже, якась раніше невідома форма невидимої енергії повинна давати відсутні 70% щільності Всесвіту.


1.3. Темна енергія і спостережувана (баріонів) матерія

2. Природа темної енергії

Сутність темної енергії є предметом суперечок. Відомо, що вона дуже рівномірно розподілена, має низьку щільність, і не взаємодіє скільки-небудь помітно зі звичайною матерією за допомогою відомих фундаментальних типів взаємодії - за винятком гравітації. Оскільки гіпотетична щільність темної енергії невелика (близько 10 -29 г / см ), її навряд чи вдасться виявити лабораторним експериментом. Темна енергія може чинити такий глибокий вплив на Всесвіт (складаючи 70% всієї енергії) тільки тому, що вона однорідно наповнює пусте (в інших відношеннях) простір.


2.1. Космологічна постійна

Найпростіше пояснення полягає в тому, що темна енергія - це просто "вартість існування простору": тобто, будь-який обсяг простору має якусь фундаментальну, невід'ємно властиву йому енергію. Її ще іноді називають енергією вакууму, оскільки вона є енергетичною щільністю чистого вакууму. Це і є космологічна постійна, іноді звана "лямбда-член" (по імені грецької букви Λ, використовуваної для її позначення в рівняннях загальної теорії відносності). Введення космологічної константи в стандартну космологічну модель, засновану на метриці Фрідмана - Леметр - Робертсона - Уокера, привело до появи сучасної моделі космології, відомої як лямбда-CDM модель. Ця модель добре відповідає наявним космологічним спостереженнями.

Багато фізичні теорії елементарних частинок пророкують існування вакуумних флуктуацій, тобто наділяють вакуум саме таким видом енергії. Значення космологічної константи оцінюється в порядку 10 -29 г / см , або близько 1.03 кеВ / см (близько 10 -123 в Планківських одиницях).

Космологічна константа має негативний тиск, рівний її енергетичної щільності. Причини, по яких космологічна константа має негативний тиск, випливають з класичної термодинаміки. Кількість енергії, укладену в "коробці з вакуумом" обсягу V, дорівнює ρV, де ρ - енергетична щільність космологічної константи. Збільшення обсягу "коробки" (dV позитивно) призводить до зростання її внутрішньої енергії, а це означає виконання нею негативної роботи. Так як робота, виконувана зміною обсягу dV, дорівнює pdV, де p - тиск, то p негативно і, фактично, p =-ρ (коефіцієнт з , що зв'язує масу і енергію, прирівняний 1). [2]

Згідно загальної теорії відносності, гравітація залежить не тільки від маси (щільності), але і від тиску, причому тиск має більший коефіцієнт, ніж щільність. Негативний тиск має породжувати відштовхування, антигравітацію, і тому викликає прискорення розширення Всесвіту. [4]

Найважливіша невирішена проблема сучасної фізики полягає в тому, що більшість квантових теорій поля, грунтуючись на енергії квантового вакууму, пророкують величезне значення космологічної константи - на багато порядків перевершує допустиму по космологічним уявленням. Звичайна формула квантової теорії поля для підсумовування вакуумних нульових коливань поля (з обрізанням по хвильовому числу коливальних мод, відповідному планковской довжині), дає величезну щільність енергії вакууму. [5] [6] Це значення, отже, має бути скомпенсовано якимось дією, майже рівним (але не точно рівним) по модулю, але які мають протилежний знак. Деякі теорії суперсиметрії (SATHISH) вимагають, щоб космологічна константа в точності дорівнювала нулю, що також не сприяє вирішенню проблеми. Така суть "проблеми космологічної константи", важкої проблеми "тонкої настройки" в сучасній фізиці: не знайдено жодного способу вивести з фізики елементарних частинок надзвичайно мале значення космологічної константи, визначене в космології. Деякі фізики, включаючи Стівена Вайнберга, вважають т. н. " антропний принцип "найкращим поясненням спостережуваного тонкого балансу енергії квантового вакууму.

Незважаючи на ці проблеми, космологічна константа - це в багатьох відносинах саме економне вирішення проблеми ускоряющейся Всесвіту. Єдине числове значення пояснює безліч спостережень. Тому нинішня загальноприйнята космологічна модель ( лямбда-CDM модель) включає в себе космологічну константу як суттєвий елемент.


2.2. Квінтесенція

Question book-4.svg
У цьому розділі не вистачає інформації.
Інформація повинна бути проверяема, інакше вона може бути поставлена ​​під сумнів і вилучена.
Ви можете відредагувати цю статтю, додавши посилання на авторитетні джерела.
Ця позначка стоїть на статті з 12 травня 2011

Альтернативний підхід виходить з припущення, що темна енергія - це свого роду частіцеподобние порушення якогось динамічного скалярного поля, званого квінтесенцією [7]. Відмінність від космологічної константи в тому, що щільність квінтесенції може змінюватись у просторі та часі. Щоб квінтесенція не могла "збиратися" і формувати великомасштабні структури за прикладом звичайної матерії (зірки і т. п.), вона повинна бути дуже легкою, тобто мати велику комптонівське довжину хвилі.

Ніяких свідчень існування квінтесенції поки не виявлено, але виключити таке існування не можна. Гіпотеза квінтесенції пророкує трохи повільніше прискорення Всесвіту, в порівнянні з гіпотезою космологічної константи. Деякі вчені вважають, що найкращим свідченням на користь квінтесенції стали б порушення принципу еквівалентності Ейнштейна і варіації фундаментальних констант в просторі або часі. Існування скалярних полів передвіщається стандартною моделлю і теорією струн, але при цьому виникає проблема, аналогічна варіанту з космологічної константою: теорія ренормалізаціі пророкує, що скалярні поля повинні набувати значну масу.

Проблема космічного збігу ставить питання, чому прискорення Всесвіту почалося саме в певний момент часу. Якщо б прискорення у Всесвіті почалося раніше цього моменту, зірки і галактики просто не встигли б сформуватися, і у життя не було б жодних шансів на виникнення, принаймні, у відомій нам формі. Прихильники " антропного принципу "вважають цей факт найкращим аргументом на користь своїх побудов. Втім, багато моделей квінтесенції передбачають так зване" стежить поведінка ", яке вирішує цю проблему. У цих моделях поле квінтесенції має щільність, яка підлаштовується до щільності випромінювання (не досягаючи її) до того моменту розвитку Великого Вибуху, коли складається рівновагу речовини і випромінювання. Після цього моменту квінтесенція починає вести себе як шукана "темна енергія" і в кінці кінців панує у Всесвіті. Такий розвиток природним чином встановлює низьке значення рівня темної енергії.

Рівняння стану (залежність тиску від щільності енергії) для квінтесенції: p = w \ cdot \ varepsilon, де -1 <W <-1 / 3 \, (Для вакууму w = -1 \, ).

Були запропоновані і інші можливі види темної енергії: фантомна енергія, для якої енергетична щільність зростає з часом (в рівнянні стану цього типу темної енергії w <- 1 ), І так звана "кінетична квінтесенція", що має форму нестандартної кінетичної енергії. Вони мають незвичайні властивості: наприклад, фантомний енергія може привести до Великого розриву Всесвіту.


3. Наслідки для долі Всесвіту

За наявними оцінками, прискорене розширення Всесвіту почалося приблизно 5 мільярдів років тому. Передбачається, що до цього розширення уповільнювався завдяки гравітаційному дії темної матерії і баріонної матерії. Щільність баріонної матерії у Всесвіті зменшується швидше, ніж щільність темної енергії. Зрештою, темна енергія починає переважати. Наприклад, коли обсяг Всесвіту подвоюється, щільність баріонної матерії зменшується удвічі, а щільність темної енергії залишається майже незмінною (або точно незмінною - у варіанті з космологічної константою).

Якщо прискорене розширення Всесвіту буде тривати нескінченно, то в результаті галактики за межами нашого Сверхскопления галактик рано чи пізно вийдуть за горизонт подій і стануть для нас невидимими, оскільки їх відносна швидкість перевищить швидкість світла. Це не є порушенням спеціальної теорії відносності. Насправді неможливо навіть визначити "відносну швидкість" у викривленому просторі-часі. Відносна швидкість має сенс і може бути визначена тільки в плоскому просторі-часі, або на досить малому (прагне до нуля) ділянці викривленого простору-часу. Будь-яка форма комунікації далі меж горизонту подій стає неможливим, і будь-який контакт між об'єктами втрачається. Земля, Сонячна система, наша Галактика, і наше Надскупчення будуть видні один одному і в принципі досяжні шляхом космічних польотів, у той час як вся інша Всесвіт зникне вдалині. З часом наше Сверхскопления прийде в стан теплової смерті, тобто здійсниться сценарій, передбачуваний для попередньої, плоскої моделі Всесвіту з переважанням матерії.

Існують і більш екзотичні гіпотези про майбутнє Всесвіту. Одна з них припускає, що фантомна енергія призведе до т. зв. "Розходяться" розширення. Мається на увазі, що розширює сила дії темної енергії продовжить збільшуватися необмежено, поки не перевершить всі інші сили у Всесвіті. За цим сценарієм, темна енергія з часом розірве всі гравітаційно пов'язані структури Всесвіту, потім перевершить сили електростатичних і внутрішньоядерних взаємодій, розірве атоми, ядра і нуклони і знищить Всесвіт у Великий розрив.

З іншого боку, темна енергія може з часом розсіятися або навіть змінити відразливе дію на притягує. У цьому випадку гравітація запанує і призведе Всесвіт до "Великому бавовни". Деякі сценарії припускають "циклічну модель" Всесвіту. Хоча ці гіпотези поки не підтверджуються спостереженнями, вони і не відкидаються повністю. Вирішальну роль у встановленні кінцевої долі Всесвіту (розвивається з теорії Великого Вибуху) повинні зіграти точні вимірювання темпу прискорення.

Прискорене розширення Всесвіту було відкрито в 1998 при спостереженнях за найновішими типу Ia [8] [9]. За це відкриття Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмідт і Адам Рісс отримали премію Шоу з астрономії за 2006 рік і Нобелівську премію з фізики за 2011 рік.


Примітки

  1. Астронет> Темна енергія поблизу нас - www.astronet.ru/db/msg/1210535
  2. 1 2 Астронет> Темна енергія поблизу нас - www.astronet.ru/db/msg/1210535/node5.html
  3. Астронет> Темна енергія поблизу нас - www.astronet.ru/db/msg/1210535/node6.html
  4. Астронет> Темна енергія поблизу нас - www.astronet.ru/db/msg/1210535/node7.html
  5. С. Вайнберг "Проблема космологічної постійної", Успіхи фізичних наук, серпень 1989 р., т. 158, вип. 4, стор 640-678
  6. Я. Б. Зельдович "Теорія вакууму, бути може, вирішує загадку космології", Успіхи фізичних наук, березень 1981 р., т. 133, вип. 3, стор 480-503
  7. Caldwell RR, Steinhardt PJ Phys.Rev. D 57, 6057 (1998).
  8. Riess, A. et al. 1998, Astronomical Journal, 116, 1009
  9. Perlmutter, S. et al. 1999, Astrophysical Journal, 517, 565

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Темна зірка (темна матерія)
Темна туманність
Темна матерія
Темна полівка
Велика темна пляма
Трансформери 3: Темна сторона Місяця
Енергія
Луч-Енергія
Енергія (РКК)
© Усі права захищені
написати до нас