|
Эволюционирует ли темная энергия
|
|
|
|
Темная энергия — термин, используемый для описания того, что заставляет Вселенную расширяться с возрастающей скоростью, — является одной из величайших загадок Вселенной. Наиболее распространенная теория в настоящее время предполагает, что темная энергия постоянна, а энергия пустого пространства управляет космическим ускорением.
|
|
|
|
Однако в прошлом году результаты исследования темной энергии и спектроскопического прибора Dark Energy вызвали волнение в космологическом сообществе, намекнув на то, что темная энергия действительно может эволюционировать.
|
|
|
|
"Это было бы нашим первым свидетельством того, что темная энергия - это не космологическая постоянная, введенная Эйнштейном более 100 лет назад, а новое динамическое явление", - сказал Джош Фриман, почетный профессор астрономии и астрофизики Чикагского университета.
|
|
|
|
В новой статье, опубликованной в Physical Review D, Фриман и Ановар Шаджиб, стипендиат НАСА по программе стипендий Хаббла и Эйнштейна в области астрономии и астрофизики, объединяют текущие данные множества зондов и обнаруживают, что динамические модели эволюции темной энергии могут лучше объяснить эти данные, чем космологическая постоянная. Если это так, то, согласно их моделям, где-то там может существовать неоткрытая частица, которая на много порядков меньше электрона.
|
|
|
|
Чикагский университет поговорил с Шаджибом и Фриманом о новых моделях, описанных в их статье, последствиях этих результатов и о том, что будет дальше.
|
|
|
|
|
|
|
Почему темная энергия играет важную роль в изучении Вселенной?
|
|
|
|
Фриман: Теперь мы точно знаем, сколько темной энергии существует во Вселенной, но у нас нет физического представления о том, что это такое. Самая простая гипотеза состоит в том, что это энергия самого пустого пространства, и в этом случае она была бы неизменна во времени - идея, восходящая к Эйнштейну, Леметру, де Ситтеру и другим в начале прошлого века.
|
|
|
|
Немного смущает, что мы практически не имеем представления о том, что представляет собой 70% Вселенной. И что бы это ни было, оно определит дальнейшую эволюцию Вселенной.
|
|
Какие недавние открытия заставили космологов предположить, что темная энергия может эволюционировать?
|
|
|
|
Шаджиб: Хотя интерес к динамической природе темной энергии проявлялся с момента ее открытия в 1990-х годах для устранения некоторых несоответствий в наблюдениях, до недавнего времени большинство основных и надежных наборов данных соответствовали неэволюционирующей модели темной энергии, которая принята в качестве стандарта.
|
|
|
|
Однако в прошлом году интерес к эволюции темной энергии резко возрос благодаря сочетанию данных о вспышках сверхновых, акустических колебаниях барионов и фоновом космическом микроволновом излучении, полученных в рамках исследования темной энергии, спектроскопического прибора темной энергии и экспериментов Планка. Эта комбинация наборов данных указывала на сильное расхождение со стандартной, неэволюционирующей моделью темной энергии.
|
|
|
|
Фриман: Данные этих исследований позволяют нам сделать вывод об истории космического расширения — о том, насколько быстро расширялась Вселенная в разные эпохи в прошлом. Если темная энергия эволюционирует во времени, то эта история будет отличаться от того, если бы темная энергия была постоянной.
|
|
|
|
Результаты исследования истории космического расширения показывают, что за последние несколько миллиардов лет или около того плотность темной энергии уменьшилась примерно на 10% — ненамного и намного меньше, чем плотности другой материи и энергии, но все же значительно.
|
|
|
|
Какова была цель этого исследования и каковы были общие выводы?
|
|
|
|
Шаджиб и Фриман: Цель этого исследования - сравнить предсказания физической модели эволюции темной энергии с последними наборами данных и на основе этого сравнения сделать вывод о физических свойствах темной энергии.
|
|
|
|
В нашей статье мы непосредственно сравниваем основанные на физике модели эволюции темной энергии с данными и обнаруживаем, что эти модели описывают текущие данные лучше, чем стандартная модель неэволюционирующей темной энергии.
|
|
|
|
Мы также показываем, что исследования ближайшего будущего, такие как спектроскопический инструмент темной энергии и устаревший обзор пространства и времени обсерватории Веры Рубин, смогут окончательно определить, верны ли эти модели или, наоборот, темная энергия действительно постоянна.
|
|
|
|
Почему новые модели в вашем исследовании лучше объясняют поведение темной энергии по сравнению с существующими моделями?
|
|
|
|
Фриман: Эти модели основаны на теориях физики элементарных частиц о гипотетических частицах, называемых аксионами. Аксионы были впервые предсказаны физиками в 1970-х годах, которые пытались объяснить некоторые наблюдаемые особенности сильных взаимодействий. Сегодня аксионы считаются вероятными кандидатами на роль темной материи, и их активно ищут исследователи по всему миру, в том числе физики из Лаборатории Ферми и Чикагского университета.
|
|
|
|
Модели, описанные в нашей статье, основаны на другой, сверхлегкой версии аксиона, которая будет действовать как темная энергия, а не как темная материя. В этих моделях темная энергия, по сути, оставалась бы постоянной в течение первых нескольких миллиардов лет космической истории, но затем аксион начал бы эволюционировать — подобно мячу на наклонном поле, который выходит из состояния покоя и начинает катиться, — и его плотность медленно уменьшалась бы, что и является результатом эволюции. данные, по-видимому, предпочтительнее.
|
|
|
|
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о существовании в природе новой частицы, которая примерно на 38 порядков легче электрона.
|
|
Каковы последствия этих открытий для понимания космического расширения?
|
|
|
|
Шаджиб: В этих моделях плотность темной энергии уменьшается со временем. Темная энергия является причиной ускоренного расширения Вселенной, поэтому, если ее плотность уменьшается, ускорение также будет уменьшаться со временем.
|
|
|
|
Если мы рассмотрим очень далекое будущее Вселенной, то различные характеристики темной энергии могут привести к разным результатам. Два крайних варианта этих результатов - большой разрыв, когда ускоренное расширение само по себе ускоряется до такой степени, что разрывает все на части, даже атомы, и Большой коллапс, когда Вселенная в какой-то момент перестает расширяться и снова сжимается, что будет выглядеть как обратный Большой взрыв.
|
|
|
|
Наши модели предполагают, что Вселенная избежит обеих этих крайностей: она будет подвергаться ускоренному расширению в течение многих миллиардов лет, что приведет к образованию холодной, темной Вселенной — Большому замораживанию.
|
|
Что вас больше всего привлекает в этих результатах?
|
|
|
|
Фриман: Когда мы начали работать над исследованием темной энергии в 2003 году, нашей целью было ограничить свойства темной энергии, чтобы определить, является ли она постоянной или изменяющейся.
|
|
|
|
На протяжении двух десятилетий данные указывали на то, что он был постоянным. Мы почти отказались от этого вопроса, потому что данные постоянно подтверждали это предположение. Однако теперь у нас есть первый намек за последние 20 лет на то, что темная энергия может изменяться, и если она развивается, то это должно быть что-то новое, что изменит наше понимание фундаментальной физики. Это чувство напоминает нам о том, где мы были в начале.
|
|
|
|
Все еще может оказаться, что эти намеки неверны, но мы, возможно, находимся на пороге ответа на этот вопрос, и это довольно интересно.
|
|
|
|
Шаджиб: Для этой статьи мы собрали все основные наборы данных — от Dark Energy Survey, Dark Energy Spectroscopic Instrument, Sloan Digital Sky Survey, Time-Delay COSMOgraphy, Planck и Atacama Cosmology Telescope — и объединили их, чтобы получить наиболее точные на сегодняшний день измерения темной энергии.
|
|
|
|
Все эти измерения получены в результате обширных экспериментов, поэтому в некотором смысле они представляют собой коллективные знания, собранные космологическим сообществом в целом.
|
|
|
|
Источник
|
