Темная энергия астрономия сообщение

Обновлено: 02.07.2024

Согласно данной диаграмме NASA, 75% Вселенной составляет тёмная энергия, о которой практически ничего не известно.

Существует два варианта объяснения сущности темной энергии:

темная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство;
темная энергия есть некая квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

Введение космологической константы в стандартную космологическую модель (т.н. метрика Фридмана-Лемэтра-Робертсона-Уокера, FLRW), привело к появлению современной модели космологии, известной как лямбда-CDM модель (Lambda-Cold Dark Matter model). Эта модель хорошо соответствует имеющимся космологическим наблюдениям.

Содержание

Открытие тёмной энергии

На основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений сверхновых звёзд типа Ia был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва, постоянной Хаббла. Все полученные данные хорошо вписываются в лямбда-CDM модель.

Сверхновые звёзды и ускоряющаяся Вселенная

Расстояния до других галактик определяются измерением их красного смещения. По закону Хаббла, величина красного смещения света удаленных галактик прямо пропорциональна относительной скорости этих галактик. Соотношение между расстоянием и величиной красного смещения называется параметром Хаббла (или, не совсем точно, постоянной Хаббла).

Квинтэссенция

Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя. Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное ускорение Вселенной, в сравнении с гипотезой космологической константы. Некоторые ученые полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились бы нарушения скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн, но при этом возникает проблема, аналогичная варианту с космологической константой: теория жизни не было бы никаких шансов на возникновение, по крайней мере, в известной нам форме. Сторонники « кинетической энергии. Они имеют необычные свойства: например, фантомная энергия может привести к Последствия для судьбы Вселенной

По имеющимся оценкам, ускорение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Плотность тёмной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность темной энергии. В конце концов, темная энергия начинает преобладать. Например, когда объем Вселенной удваивается, плотность темной материи уменьшается вдвое, а плотность темной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной — в варианте с космологической константой).

Понятие, что такое темная энергия и ее сущность.

Тёмная эне́ргия (англ. Dark energy ) в космологии — феномен, проявляющийся в обнаруженном нарушении закона Хаббла: Вселенная расширяется с ускорением, а не замедлением.

Существует два варианта объяснения сущности тёмной энергии:

· тёмная энергия есть космологическая константа — неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной (другими словами: постулируется ненулевая энергия вакуума)

· тёмная энергия есть некая квинтэссенция — динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

Окончательный выбор между двумя вариантами требует высокоточных измерений скорости расширения Вселенной, чтобы понять, как эта скорость изменяется со временем. Темпы расширения Вселенной описываются космологическим уравнением состояния. Разрешение уравнения состояния для тёмной энергии является одной из самых насущных задач современной наблюдательной космологии.

Тёмная энергия также должна составлять значительную часть так называемой скрытой массы Вселенной.

Открытие тёмной энергии.

На основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений сверхновых звёзд типа Ia был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва. Все полученные данные хорошо вписываются в лямбда-CDM модель.

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением. Её назвали тёмной энергией .

Космологическая постоянная

Многие физические теории элементарных частиц предсказывают существование вакуумных флуктуаций, то есть наделяют вакуум именно таким видом энергии. Значение космологической константы оценивается в порядке 10 −29 г/см³ , или около 1 кэВ/см³ (около 10 −123 в Планковских единицах).

Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы (плотности), но и от давления, причем давление имеет бо́льший коэффициент, чем плотность. Отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение расширения Вселенной.

Несмотря на эти проблемы, космологическая константа — это во многих отношениях самое экономное решение проблемы ускоряющейся Вселенной. Единственное числовое значение объясняет множество наблюдений. Поэтому нынешняя общепринятая космологическая модель (лямбда-CDM модель) включает в себя космологическую константу как существенный элемент.

Квинтэссенция.

Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя. Гипотеза квинтэссенции предсказывает чуть более медленное ускорение Вселенной, в сравнении с гипотезой космологической константы. Некоторые учёные полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились бы нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и вариации фундаментальных констант в пространстве или времени. Существование скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн, но при этом возникает проблема, аналогичная варианту с космологической константой: теория ренормализации предсказывает, что скалярные поля должны приобретать значительную массу.

Темная материя

С излучением и обычным веществом, состоящим из атомов, мы постоянно имеем дело в повседневной жизни. Гораздо меньше мы знаем о темной материи. Тем не менее достаточно надежно установлено, что ее физическим носителем являются некие слабовзаимодействующие частицы. Известны даже некоторые свойства этих частиц, например, что у них есть масса, а движутся они много медленнее света. Однако они никогда еще не регистрировались искусственными детекторами.

Скрытая материя была обнаружена при анализе скоростей галактик в их скоплениях и звезд в галактиках: они движутся так, как будто масса, формирующая гравитационное поле, значительно превосходит сумму масс всех наблюдаемых объектов. Еще одно свидетельство наличия в галактиках С.м. получено при наблюдении гравилинзирования - фокусировки света при рассматривании галактик "на просвет". Наблюдающийся при этом изгиб лучей света соответствует массе, многократно превосходящей совокупную массу звезд. Масса и протяженность этих "корон" из невидимого вещества очень велика. В нашей Галактике, например, она превышает массу звезд примерно в 20 раз, а размер занимаемой ею области превышает радиус звездного диска в 10 раз.

Относительно вещества, входящего в состав Темной материи, выдвинуто немало гипотез. Наиболее простым является предположение о том, что это холодные звезды (коричневыми карлики) или еще более мелкие космические тела, невидимые в телескопы. Результаты, полученные при помощи хаббловского космического телескопа, позволяют сделать вывод о том, что масса таких объектов не превышает 15% от массы видимых звезд .Еще меньше возможный вклад других трудно наблюдаемых компактных космических объектов: нейтронных звезд и черных дыр.

По-видимому, основной вклад в скрытую массу дает материя в рассеянном состоянии - элементарные частицы, слабо взаимодействующие с веществом и поэтому трудно обнаруживаемые. Обязательное свойство этих частиц - отличная от нуля масса покоя, так как концентрироваться в гравитационных полях галактик и звезд могут только объекты, имеющие скорость не более нескольких тысячных долей от скорости света. Безмассовые частицы могут дать лишь равномерный фон, не проявляющий себя гравитационно. Из "освоенных" современной наукой частиц на роль С.м. годится нейтрино. Рассматриваются также нейтралино - гипотетические частицы, предсказываемые теорией "великого объединения", а также не обнаруженная пока экспериментально частица аксион, предсказанная квантовой хромодинамикой.

С.м. многокомпонентна, и ее изучение в значительной мере находится на уровне гипотез. Особый интерес представляют два возможных компонента С.м.: нейтрино и малые (“первичные”) черные дыры. Эти объекты могут ощутимо, а порой и катастрофично проявлять себя не только в глубинах Вселенной, но и на Земле.

По имеющимся оценкам, ускоряющееся расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Предполагается, что до этого расширение замедлялось благодаря гравитационному действию тёмной материи и барионной материи. Плотность барионной материи в расширяющейся Вселенной уменьшается быстрее, чем плотность тёмной энергии. В конце концов, тёмная энергия начинает преобладать. Например, когда объём Вселенной удваивается, плотность барионной материи уменьшается вдвое, а плотность тёмной энергии остается почти неизменной (или точно неизменной — в варианте с космологической константой).

Список литературы:

1 Энциклопедия для детей. Т. 8. Астрономия. - 2-е изд.,Э68 испр./Глав. Ред. М.Д. Аксёнова. - М.: Аванта+,2002. - 688 с.: ил.

Кто открыл темную энергию?

Осознание того, что Вселенная расширяется, можно проследить до американского астронома Эдвина Хаббла, который в 1929 году заметил, что чем дальше галактика от Земли, тем быстрее она удаляется от нас, согласно веб-сайту космического телескопа Хаббла. Это не означает, что наша планета является центром вселенной, а скорее то, что все в космосе с постоянной скоростью удаляется от всего остального.

Спустя почти 60 лет после открытия Хаббла ученые сделали еще одно поразительное открытие. Исследователи долго пытались точно измерить космические расстояния, глядя на свет далеких звезд. В конце 1990-х годов, после изучения далеких сверхновых, две независимые команды обнаружили, что свет звездных взрывов тусклее, чем ожидалось. Это указывает на то, что вселенная не только расширяется, но и ускоряется в своем расширении.

Это открытие дало физикам повод почесать голову с тех пор, также заработав своим первооткрывателям Нобелевскую премию по физике в 2011 году.

Что делает темная энергия?

Хотя исследователи не совсем понимают темную энергию, они использовали свои знания об этом феномене для построения моделей Вселенной, которые объясняют все от Большого взрыва до современной крупномасштабной структуры галактик. Некоторые из этих моделей предсказывают, что темная энергия разорвет все существующее через миллиарды лет.

Альтернативная идея утверждает, что темная энергия является дополнительной фундаментальной силой, объединяющей четыре уже известные (гравитация, электромагнетизм и сильные и слабые ядерные силы). Но эта гипотеза не объясняет, почему люди не замечают эту дополнительную силу в нашей повседневной жизни. Таким образом, теоретики также создали креативные модели, предполагающие, что эта таинственная сила каким-то образом скрыта.

Измеренное значение темной энергии в настоящее время является предметом интенсивных дебатов между враждующими фракциями в физике. Некоторые исследователи измерили мощность темной энергии, используя космический микроволновый фон, слабое эхо Большого взрыва, и дали одну оценку.

Но другие астрономы, которые измеряют силу темной энергии, используя свет далеких космических объектов, создали другую ценность, и никто еще не смог объяснить это расхождение. Некоторые эксперты предполагают, что сила темной энергии меняется со временем, хотя сторонники этой идеи еще не убедили большинство своих коллег в этом объяснении.

Плотность этой энергии остается неизменной. Она равномерно заполняет все пространство и является космологической константой. Своими свойствами темная энергия напоминает антигравитацию, она как бы расталкивает материю, заставляя Вселенную расширяться, а галактики удаляться друг от друга. Но ее наиболее интересной особенностью является отрицательное давление. Оно не позволяет материи растягиваться. То есть расширяется лишь пространство, оставляя вещество неизменным. Поэтому метр всегда будет равен 100 см, насколько бы ни расширилась Вселенная.

Наблюдения сверхновых

То, что расширение пространства происходит с ускорением, стало окончательно ясно из наблюдений за сверхновыми звездами. В процессе исследований ученые заметили, что их яркость заметно ниже той, которая должна быть. То есть расстояние до этих звезд на деле было больше, чем вычислил Хаббл. Это дало понять, что расширение Вселенной постоянно ускоряется. На тот момент активно продвигалась теория о его замедлении, и такое открытие сильно ее подкосило. Та теория говорила, что большую часть массы Вселенной составляет видимая и темная материя. Однако, согласно новым данным, такое ускорение может происходить лишь благодаря какой-то невидимой энергии.

Энергия и масса

Если темная энергия существует на самом деле, то это дает ответы на многие вопросы. Например, этим объясняется наличие некой невидимой массы. Все теории и структуре Вселенной говорят о том, что ее форма подобна плоскости. Нет, это не то же самое, что теории и плоской Земле. А для того, чтобы такая форма сформировалась, нужна определенная плотность, которой у материи не хватает. Плотность видимой и темной материи составляет всего 30%, а значит темная энергия дает оставшиеся 70%.

Темная энергия

Что из себя представляет тёмная энергия

Сложно сказать, что это. Единственное, о чем можно судить, это ее равномерное распределение в пространстве. При том, что ее должно быть действительно много, темная энергия никак не взаимодействует с веществом (кроме гравитации). А так как ее плотность должна быть очень мала, то и обнаружить ее практически невозможно.

Космологическая постоянная

Космологическая постоянная или энергия вакуума – это энергетическая плотность чистого вакуума. На ней строится вся современная космология. И пока только она может объяснить наличие темной энергии во Вселенной.

Все, что мы видим вокруг себя (звезды и галактики) это не более 4-5% от всей массы во Вселенной!

Состав Вселенной

Согласно космологическим теориям современности, наша Вселенная состоит всего из 5% обычной, так называемой барионной материи, которая образует все наблюдаемые объекты; 25% темной материи, регистрируемой благодаря гравитации; и темной энергии, составляющей целых 70% от общего объема.

Термины темная энергия и темная материя не вполне удачны и представляют собой дословный, но не смысловой перевод с английского.

Материалы по теме

В физическом же смысле данные термины подразумевают, только то, что эти вещества не взаимодействуют с фотонами, и их с таким же успехом можно было бы назвать невидимой или прозрачной материей и энергией.

Многие современные ученные убеждены, что исследования направленные на изучение темной энергии и материи, вероятно, помогут получить ответ на глобальный вопрос: что же ожидает нашу Вселенную в будущем?

Сгустки размером с галактику

Темная материя представляет собой субстанцию, состоящую, скорее всего, из новых, еще неизвестных в земных условиях частиц и обладающую свойствами присущими самому обыкновенному веществу. Например, она способна также как обычные вещества собираться в сгустки и участвовать в гравитационных взаимодействиях. Вот только размеры этих так называемых сгустков могут превышать целую галактику или даже скопление галактик.

Подходы и методы исследования частиц темной материи

Из чего состоит Вселенная

На данный момент ученые всего мира всячески пытаются обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного сверхтехнологичного оборудования и множества различных научно-исследовательских методов, но пока все труды не увенчиваются успехом.

Материалы по теме

Один из методов связан с проведением экспериментов на ускорителях высокой энергии, широко известных как коллайдеры. Ученые, считая, что частицы темной материи тяжелее протона в 100-1000 раз, предполагают, что они должны будут зарождаться при столкновении обычных частиц, разогнанных до высоких энергий посредством коллайдера. Суть другого метода заключается в регистрации частиц темной материи, находящихся повсюду вокруг нас. Основная сложность регистрации данных частиц состоит в том, что они проявляют очень слабое взаимодействие с обычными частицами, которые по своей сути для них являются как бы прозрачными. И все же частицы темной материи очень редко, но сталкиваются с ядрами атомов, и имеется определенная надежда рано или поздно все же зарегистрировать данное явление.

Существуют и другие подходы и методы исследования частиц темной материи, а какой из них первым приведет к успеху, покажет лишь время, но в любом случае открытие этих новых частиц станет важнейшим научным достижением.

Субстанция, обладающая антигравитацией

Распределение энергии во Вселенной

Темная энергия представляет собой еще более необычную субстанцию, чем та же темная материя. Она не обладает способностью собираться в сгустки, в результате чего равномерно распределена абсолютно по всей Вселенной. Но самым необычным ее свойством на данный момент является антигравитация.

Природа темной материи и черных дыр

Масса галактик в скоплении Абель 2744 составляет менее 5 процентов от всей его массы. Этот газ настолько горячий, что светит только в рентгеновском диапазоне (красный цвет на этом изображении). Распределение невидимой темной материи (составляющей около 75 процентов от массы этого кластера) окрашено в синий цвет.

Читайте также: