Если бы мы появились всего на несколько миллиардов лет раньше, мы бы никогда не узнали.
«В конце концов, «Вселенная» - это гипотеза, как и атом, и ей должна быть предоставлена свобода иметь свойства и делать вещи, которые были бы противоречивы и невозможны для конечной материальной структуры». - Виллем де Ситтер
Каждую неделю в течение всего года я призываю вас присылать свои вопросы и предложения, и я выбрал свой любимый, чтобы сделать его темой нашей еженедельной колонки «Спросите Итана». Мы взяли темы от самого маленького масштаба до самого большого, от земного до космического и от начала Вселенной до ее конечной судьбы. На этой неделе я получил вопрос от Хемзы Азри, который хотел узнать следующее:
Я пытаюсь узнать, есть ли новые данные наблюдений об ускоренной фазе Вселенной! Когда это началось?!
Давайте поговорим о Вселенной и о том, как она расширяется.
Менее 100 лет назад мы узнали, что эти огромные спиральные туманности в небе были не протозвездами, образующимися в нашей собственной галактике, а скорее целыми галактиками, состоящими из миллионов или миллиардов световых лет далеко. Однако почти сразу после того, как это открытие было сделано, мы поняли, что существует впечатляющая зависимость между тем, насколько далеко находится галактика, и тем, насколько быстро она удаляется от нас!
Хотя на тот момент в Общей теории относительности было известно всего несколько точных решений, одно из них очень хорошо описывало нашу Вселенную: расширяющаяся Вселенная, однородная в самых больших масштабах. Хотя наша Вселенная вовсе не однородна в масштабах нескольких десятков миллионов световых лет, когда мы начинаем смотреть в масштабах десятков миллиардов световых лет, отклонения от однородности очень малы. В среднем это решение - метрика Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера - описывает нашу Вселенную лучше, чем любое другое.
Это говорит нам о том, что пространство между галактиками - или между любыми структурами, которые не связаны гравитационно ни друг с другом, ни взаимно связаны с еще большей структурой - , будет расширяться. Если мы хотим узнать, как это пространство будет расширяться, то есть с какой скоростью, нам нужно знать две части информации:
- Какова скорость расширения в любой момент нашей космической истории, и
- Какие типы и соотношения материи и энергии присутствуют в нашей Вселенной.
Вот и все! Если мы сможем выяснить эти две части информации, мы сможем выяснить не только судьбу нашей Вселенной, но и то, какой была, есть и будет скорость расширения во все времена после Большого взрыва.
Первый довольно прост, и у нас есть куча разных способов решить эту проблему. Измеряя, насколько далеко находятся различные объекты в нашей Вселенной и как быстро они удаляются от нас, мы можем выяснить, какова сегодня скорость расширения. Это только одно очко, но его легко получить. Хотя сама скорость была спорной в течение длительного периода времени, вплоть до 1990-х годов, мы окончательно установили, что она составляет более или менее около 67 км/с/Мпк (где Мпк составляет около 3 260 000 световых лет).), с погрешностью всего около 2 или 3 км/с/Мпк
А второе - это то, что мы узнали из комбинации многих различных типов наблюдений, в том числе за очень удаленными объектами, такими как сверхновые, из космического микроволнового фона и из крупномасштабных структур. вообще и в частности из барионных акустических колебаний.
Мы пришли к пониманию того, что наша Вселенная состоит примерно из следующего распределения энергии:
- О 0,01% в виде фотонов, или излучение в виде света,
- О 4.9% в виде обычной протонно-нейтронно-электронной материи,
- О 27% во всех формах темной материи вместе взятых, включая нейтрино, которые сами составляют около 0,1% от общего количества, остальные имеют неизвестный состав,
- И остальные 68% или около того в форме темной энергии, которая, насколько нам известно, неотличима от космологическая постоянная.
Вот из чего, насколько нам известно, состоит Вселенная.
Теперь, когда мы говорим об ускорении Вселенной, мы имеем в виду нечто очень конкретное. Мы не имеем в виду, что текущая скорость расширения, которая составляет 67 км/с/Мпк, становится быстрее; это не так. Я хочу, чтобы вы подумали о далекой галактике, на произвольном расстоянии от нас. Давайте просто составим расстояние, чтобы получить примерное число: 10 Мпк для скорости расширения 670 км/с.
Вот как быстро удаляется от нас конкретная галактика. Теперь, когда Вселенная продолжает расширяться, она становится менее плотной, и, следовательно, плотность энергии падает. Поскольку скорость расширения зависит от плотности энергии, она также падает. Но поскольку Вселенная расширялась все это время, галактика, за которой мы наблюдали, теперь находится дальше от нас.
Подумайте, что это значит: скорость расширения в будущем меньше, но отдельный объект находится дальше. Если мы хотим вычислить кажущуюся скорость объекта по мере продвижения вперед во времени, нам нужно перемножить эти два числа вместе, так что это вопрос того, что меняется быстрее: уменьшается ли скорость расширения в большем процентном отношении, чем увеличивается объект. расстояние от нас или наоборот?
Это зависит от того, какой процент плотности энергии Вселенной находится в форме материи и излучения, которые со временем разбавляются, и какой процент находится в форме космологической постоянной, которая нет! Давайте посмотрим, как материя, излучение и темная энергия (космологическая постоянная) меняются со временем.
Сейчас в нашей Вселенной преобладает темная энергия, поэтому скорость расширения падает медленнее, чем увеличивается расстояние: к тому времени, когда скорость расширения упадет еще на 10%, объект будет примерно в два раза больше далеко от нас, а это означает, что он ускоряется. Но в прошлом во Вселенной было гораздо меньше темной энергии (в процентном отношении) и гораздо больше материи. Если мы вернемся достаточно далеко, радиация настигнет их обоих! Во время господства либо материи, либо излучения скорость расширения падала быстрее, и Вселенная замедлялась. При нашем нынешнем возрасте в 13,8 миллиарда лет лишь относительно недавно удаляющиеся от нас объекты начали ускоряться, или ускоряться!
Математически переход от замедления, которое Вселенная делала в течение первых нескольких миллиардов лет, к ускорению, которое она делала в последние несколько миллиардов, происходит, когда плотность темной энергии достигает значение, которое составляет половину от общей плотности материи. Прямо сейчас плотность материи чуть более чем в два раза превышает ее, так что некоторое время она ускорялась, поскольку Вселенная была 62% от ее нынешнего размера С небольшой математикой (и небольшая помощь от астрофизики), мы можем вычислить, сколько лет было Вселенной, когда она прошла через эту веху, и это было, когда Вселенная была около 7.8 миллиардов лет, или около 6 миллиардов лет назад, примерно за 1,5 миллиарда лет до образования нашей Солнечной системы.
Если бы мы свели всю космическую историю Вселенной к одному календарному году, ускорение Вселенной началось бы примерно 27 июля.
Это число чрезвычайно чувствительно к небольшим изменениям наших параметров плотности материи, плотности темной энергии и скорости расширения; если эти числа изменятся хотя бы на 2-3%, время окончания замедления и начала ускорения может измениться на целых один или даже два миллиарда лет! Темная энергия не начинает доминировать в энергетическом содержании Вселенной еще 1,9 миллиарда лет (помните, что это только половина того, что составляет содержание материи, когда происходит переход замедления/ускорения), и требуется еще 4,1 миллиарда лет, чтобы достичь сегодняшнего значение, где оно примерно вдвое превышает значение материи.
Но мы живем в ускоряющейся Вселенной, и именно тогда произошел переход! Спасибо за отличный вопрос, Хемза, и если у вас есть идея для хорошей колонки «Спросите Итана», присылайте свои вопросы и предложения сюда. На следующей неделе мы начнем второй год этой серии, и мне не терпится увидеть, что вы приготовили для меня!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!