Есть ли проблемы с согласованием скорости расширения Вселенной?

Олег Верходанов (sed.sao.ru/~vo)
Олег Верходанов (sed.sao.ru/~vo)

Наверное, можно было бы сразу начать заметку с обсуждения двух высказываний: «в наблюдательной космологии есть проблемы согласования современных результатов разных экспериментов» и «в наблюдательной космологии, кроме старых, других проблем нет». Но все-таки я сделаю небольшое вступление, а также введу некоторые термины для читателей, которые впервые окунутся в обсуждаемую тему.

За последние двадцать лет в наших представлениях о Вселенной произошла революция. Особенно сильно это проявляется в исследованиях, где новые прорывные технологии, связанные c электроникой, космическими системами, суперкомпьютерами и программным математическим обеспечением, дали возможность проводить немыслимые ранее наблюдения дальнего космоса. Была построена согласованная стандартная космологическая модель, называемая ΛCDM, которая удовлетворяет практически всем наблюдательным данным и описывает эволюцию Вселенной от момента ее возникновения до десятков миллиардов лет вперед. Модель включает конечное число параметров и имеет расширения (дополнительные параметры), которые также удается измерить с высокой точностью.

ΛCDM-модель

Что такое космологическая модель ΛCDM («Лямбда-СиДиЭм»)? Это модель, в названии которой и заключены две главные проблемы современной космологии: темная энергия (ТЭ), описываемая Λ-членом в уравнении Эйнштейна, действие которой наблюдается на масштабах нескольких десятков миллионов световых лет как ускоренное расширение Вселенной, и темная материя (ТМ), гравитационные проявления которой мы видим на масштабах галактик, скоплений галактик и крупномасштабной структуры Вселенной. Темная материя представляется в стандартном описании как холодная темная материя (Cold Dark Matter — CDM). Хотя мы не знаем, что такое ТЭ и TM, у нас все-таки есть представления об их физических свойствах в настоящую эпоху. ТЭ — это некоторая субстанция с отрицательным давлением, наблюдаемая на очень больших масштабах; ее часто сравнивают с вакуумом. ТМ — это, скорее всего, вещество, состоящее из массивных нейтральных частиц, не входящих в Стандартную модель физики элементарных частиц и не участвующих в электромагнитном взаимодействии. Но, возможно, что кроме гравитационного ТМ может участвовать в слабом либо в другом, неизвестном взаимодействии. А может быть, и нет. Вклад обоих компонентов в энергетический баланс Вселенной хорошо измерен по их проявлениям. В рамках согласованной модели, использующей данные космической миссии Planck 2018 года и барионных (или, по-другому, акустических, или сахаровских) осцилляций, измеренных в оптических наблюдениях Слоановского обзора неба (Sloan Digital Sky Survey — SDSS), вклад составляет ~69% TЭ и ~26% ТМ. При этом за ~5% энергии ответственно видимое (барионное) вещество.

Космологические тесты

Космологическая модель ΛCDM описывается минимальным набором из шести космологических параметров. Их значения ищутся одновременной подгонкой методом максимального правдоподобия к данным различных экспериментов. В результате находится точка в многомерном пространстве, которая дает лучшее соответствие совокупности наблюдений. В последней работе коллаборации Planck 2018 года [1] по определению параметров использовались данные по неоднородностям реликтового фонового микроволнового излучения и его поляризации, а также данные по барионным осцилляциям (Baryon Oscillation Sky Survey — BOSS) [2], измеренным в оптическом Слоановском обзоре неба. Поиск параметров опирается на неоднородность Вселенной, которая проявляется в разных распределениях. В случае реликтового излучения она проявляется в угловом спектре мощности (обозначается Cl). Он показывает относительную долю энергии, приходящей из Вселенной в проекции на окружающую нас воображаемую сферу, в зависимости от углового масштаба, в котором эта доля энергии измеряется (рис. 1). Для изучения распределения вещества применяют корреляционные функции, которые в классическом астрофизическом подходе позволяют находить выделенные расстояния между объектами в пространстве (рис. 2). Кроме того, одним из наиболее активно применяемых методов определения свойств Вселенной является диаграмма Хаббла, связывающая скорость удаления галактики от нас (или скорость расширения Вселенной) с расстоянием до этой галактики (рис. 3). Расстояние (модуль расстояния) до галактики связывает ее абсолютную звездную величину M и видимую m. В основном в измерениях используют именно разность m — M при построении зависимости. А вместо скорости удаления галактики применяют красное смещение z, определяющее относительный сдвиг спектра в красную сторону, т. е. в сторону меньших частот или бо́льших длин волн электромагнитного спектра.

Рис. 1. Карта РИ Planck с разрешением 5 минут дуги, соответствующий ей угловой спектр мощности Planck до гармоники l=2500

В общем, как при эффекте Доплера: при приближении машины частота звука повышается, а при удалении — понижается. С той лишь разницей, что космологическое красное смещение не связано с эффектом Доплера, а определяется расширением Вселенной.

Все эти функции — угловой спектр мощности, корреляционные функции скоплений галактик и диаграмма Хаббла — применяются в процедуре подгонки параметров как самостоятельные зависимости, так и общим набором для построения согласованной модели.

Чтобы быть точным в изложении, надо отметить, что кроме этих трех космологических тестов еще есть линии поглощения квазаров, когда по положению и ширине линий водорода на различных красных смещениях удается восстановить структуру Вселенной; гравитационное линзирование на скоплениях галактик; классические подсчеты источников излучения; стандартная линейка при измерении углового размера объектов с известным физическим размером; стандартные свечи для разных объектов стандартной светимости (они же имелись в виду, когда говорилось о диаграмме Хаббла); стандартные часы для измерения динамики расширения Вселенной по данным возраста галактик с учетом эволюции звезд и темпа звездообразования; и ряд других тестов. Кроме того, измеренные космологические параметры являются входными для построения точных компьютерных симуляций и их статистического сравнения с результатами наблюдений.

Параметры модели

Приведем минимальный «джентльменский набор» космологических параметров действующей согласованной модели на 2018 год [1], который всегда полезно иметь под рукой. Он включает:

1) угловой размер акустического горизонта эпохи последнего рассеяния, измеряемый по положению пиков в угловом спектре мощности θ* = 0,5965±0,0002°;

2) амплитуда первичных возмущений As (чрезвычайно мала);

3) скалярный спектральный индекс (показывающий относительную скорость роста первичных возмущений плотности на разных масштабах, из которых потом образовались галактики и скопления галактик) ns = 0,9665±0,0038;

4) и 5) плотность барионной и темной материи соответственно (обращаем внимание, что это связанные параметры, а именно домноженные на h2, где h — постоянная Хаббла H0, деленная на 100) Ωbh2 = 0,022 42 ± 0,000 14 (откуда Ωb ≈ 0,049) и ΩCDMh2 = 0,119 33 ± 0,000 91 (ΩCDM ≈ 0,259), а их сумма — плотность материи Ωm = 0,3111 ± 0,0056;

6) шестой параметр — красное смещение zre = 7,82±0,71, на котором произошла вторичная ионизация (реионизация) Вселенной первыми звездами и квазарами, или, что тоже самое — оптическая толща свободных электронов между нами и эпохой реионизации τ = 0,0561±0,0071.

Физическая параметризация описана в работе Planck 2013 года [3] (на русском языке можно посмотреть в [4]).

Измеренные параметры позволяют зафиксировать космологическую модель и определить остальные производные и дополнительные параметры как с использованием только данных «Планка», так и с применением данных других экспериментов в согласованных оценках. Среди остальных параметров отметим плотность темной энергии ΩΛ= 0,6889±0,0056, величина которой связана и с размером θ*, и с прохождением фотонов РИ сквозь формирующиеся скопления галактик за космологическое время (эффект Сакса — Вольфа). Другим важным параметром является параметр расширения Хаббла в настоящую эпоху — постоянная Хаббла H0 = 67,66±0,42 км/с на мегапарсек (Мпк). С параметром Хаббла связан и возраст Вселенной t0 = 13,787±0,020 млрд лет. Знание оптической толщины, которая определяет свойства среды и связана с плотностью материи, а также применение данных о гравитационном линзировании фиксируют неравномерность распределения вещества. Эта величина описывается параметром σ8= 0,8102±0,0060, характеризующим скучивание материи в кубе со стороной 8 Мпк. Еще один параметр плотности — ΩK = 1 — Ω0, описывающий кривизну Вселенной, связан с суммарной плотностью всех компонент энергии Ω0 объединяющей ΩΛ, Ωc, Ωb, плотности излучения и нейтрино, и с размером характерных пятен РИ на момент рекомбинации θ*. Используя только данные РИ, куда входят и измерения Planck и учитываются линзирование и данные оптических обзоров, имеем оценку кривизны: ΩK = 0,0007±0,0019. Малое значение ΩK является признаком того, что наша Вселенная с высокой точностью плоская (т. е. сумма углов любого треугольника, построенного на больших масштабах — порядка десятков миллионов световых лет — равна 180°). Кроме того, необходимо отметить, что ΛCDM — это все-таки семейство моделей, допускающее различные вариации основных параметров и включающее также различные расширения.

Рис. 4. Изменение формы углового спектра мощности реликтового излучения при вариации величины постоянной Хаббла H0
Рис. 4. Изменение формы углового спектра мощности реликтового излучения при вариации величины постоянной Хаббла H0

Обратим внимание на приводимую точность определения параметров — лучше/порядка 1% — точность, недостижимая в настоящее время во многих астрофизических и физических экспериментах. И для постоянной Хаббла она лучше, чем 1%, — 420 ­м/с/Мпк. Даже можно сказать, невероятная. Каким образом она получается? В общем виде параметр Хаббла H(z), описывающий скорость расширения Вселенной в разные космологические эпохи, определяется соотношением H(z)2 = H02 x (ΩR x (1 + z)4 + Ωm x (1 + z)3 + (Ω0 — 1) x (1 + z) + ΩΛ), где H0 — постоянная Хаббла — параметр Хаббла в настоящую эпоху, ΩR, Ωm, Ω0, ΩΛ — соответственно относительные плотности излучения, вещества (видимого + темного), полной плотности энергии и темной энергии в настоящую эпоху. Параметр Хаббла входит в описание скорости роста неоднородностей плотности (в том числе и через эффекты линзирования в разные эпохи), наблюдаемых угловых размеров характерных неоднородностей в распределении реликтового фона (чем быстрее сейчас расширяется Вселенная, тем меньше их наблюдаемый угловой размер) и также связан с температурой космического микроволнового фонового излучения. Изменение параметра H0 приводит к существенному изменению формы углового спектра мощности (см. рис. 4). Набор физических описаний со свободными параметрами включается в общую процедуру совместного определения наиболее правдоподобных величин параметров, в результате выполнения которой и получаются приведенные значения.

Качество данных

Картина с микроволновыми данными Planck и барионными осцилляциями в SDSS в целом понятна. Но имеются еще и данные группы Адама Рисса [5], нобелевского лауреата, одного из открывателей факта ускоренного расширения Вселенной. Его результаты определения постоянной Хаббла (проект SH0ES — SN, H0, Equation of State of dark energy) отличаются более чем на 3,5σ от величины H0 коллаборации Planck: по Риссу и др. H0 = 73,52±1,62 км/с/Мпк на 2018 год. Команда Рисса использует сверхновые типа Ia (SN Ia) как стандартные свечи. Взрыв белого карлика в двойной звездной системе при перетекании на него вещества со звезды-компаньона и запуске термоядерных реакций приводит к вспышке сверхновой стандартной светимости (из-за фиксированной предельной массы белого карлика) и несложной для опознания затухающей кривой блеска SN Ia. Вспышка по яркости сравнима с родительской галактикой и при известном красном смещении позволяет построить диаграмму Хаббла и далее определить с помощью нее параметры расширения Вселенной. Это можно сделать, если данных по объектам типа SN Ia достаточно много и они перекрывают большой диапазон красных смещений.

Если различие в данных Planck и группы Рисса реально, то придется говорить об изменении физических свойств Вселенной, причем, возможно, с привлечением новой физики. Если это эффект систематики (то есть связанный с трудноучитываемым изменением эволюционных свойств объектов в разные эпохи, неполнотой данных, особенностями наблюдений или методикой обработки данных), то нужно определить, кто неправ: коллаборация Planck и ей сочувствующие (порядка 500−1000 космологов, наблюдателей и теоретиков) или команда Рисса.

И тут самое время поговорить о качестве данных. Данные Planck для определения космологических параметров включают три корреляционных спектра: угловой спектр мощности анизотропии (то есть вариаций) температуры реликтового излучения, угловой спектр мощности поляризации РИ в электрической моде (E-моде), корреляционный спектр между анизотропией температуры и E-модой поляризации. Каждый спектр содержит по 2500 независимо измеренных точек. За спектрами стоят порядка 4 млрд пикселей, полученных по данным десятков тысяч измерений в каждом пикселе на девяти частотах (30, 44, 70, 100, 143, 217, 353, 545, 847 ГГц) и в двух модах поляризации (для первых семи частот). Данные полны на сфере и однородны. Таким образом, удается почти легко и точно провести разделение фоновых компонент нашей Галактики и данных реликтового микроволнового фона и построить соответствующие угловые спектры мощности. Особая «волнистая» форма спектра мощности, определяемая сахаровскими осцилляциями в первичной плазме1, позволяет с предельно высокой степенью точности найти и измерить амплитуды в точках максимума и минимума спектра. Это в свою очередь позволяет получить высокую точность измерения космологических параметров. Следует также отметить, что разделение компонент проводится различными методами, и в результате получаются очень близкие карты РИ и, соответственно, практически совпадающий спектр Cl, рассчитываемый при различных подходах.

Данные Рисса основаны на построении точной «лестницы расстояний» и измерениях кривых блеска сверхновых типа SN Ia. Лестница расстояний включает много различных стандартных по светимости объектов и методов измерений расстояний до них. В классическом варианте ее фундамент строится на измерении тригонометрических параллаксов цефеид Млечного Пути, позволяющих определить расстояния до объектов с помощью простых методов решения треугольника по известной стороне (радиусу орбиты Земли, например) и углам. Угол смещения звезды в проекции на небо за время путешествия наблюдателя по орбите вокруг Солнца позволяет практически прямым измерением определить расстояние до нее, а с учетом опубликованных данных спутника Gaia Европейского космического агентства заявленная точность определения параллаксов достигла 30−40 угловых микросекунд для звезд на расстояниях 2−4 кпк с учетом их собственных движений. Цефеиды — класс переменных звезд, чей период вариации блеска связан с их светимостью, и таким образом их можно использовать как стандартные свечи, если известен период переменности. Если точно откалибровать расстояние до цефеид и далее от цефеид до SN Ia (для этого в близких галактиках, где произошла вспышка SN Ia, ищутся цефеиды), то удается построить надежную лестницу расстояний и проводить космологические измерения.

Сделаем некоторые примечания к этому методу. Список сверхновых типа Ia не очень большой — более-менее надежных объектов этого типа порядка 2000. Результатов измерений кривых блеска SN Ia при красных смещениях z>1 мало, при z>1,5 прямо совсем мало. А при z>2 их, в общем, и нет (при z = 2 возраст Вселенной t~3,3 млрд лет). Хотя, например, зарегистрированные гамма-всплески из тех эпох есть.

Всё еще нет уверенного знания, насколько стандартным является тип SN Ia (см. величину разброса данных на рис. 3). И если для поиска, обнаружения и измерения вклада темной энергии достаточно было порядка десятка сверхновых за z>0,7 (z~0,7 или t~7 млрд лет задают область временно́го интервала, где при движении из прошлого в настоящее происходит переход от пылевой эпохи к эпохе темной энергии), то для точных измерений нескольких десятков объектов уже недостаточно. Неясно, насколько стандартными являются SN Ia при другом химическом составе, который был в более ранние эпохи. Не очень ясно, как себя ведет кривая блеска SN Ia при взрыве компоненты в паре двух белых карликов и сколько таких пар участвует в производстве вспышек. Списки сверхновых Ia неоднородны и неполны по пространственным направлениям и по космологическим эпохам, что ограничивает возможность обобщения результатов даже в случае точного измерения кривых блеска.

Обсуждение

Рис. 5. Диаграмма «постоянная Хаббла H0 — плотность вещества Ωm» показывает различие в определении величины постоянной Хаббла в согласованной модели ΛCDM Planck и в данных группы Рисса. Разными цветами выделены измерения параметров при комбинации данных различных экспериментов, оттенками цветов — доверительные интервалы на уровнях 68% и 95%. Обозначения на картинке: BAO — барионные акустические осцилляции, Pantheon — данные по проекту измерения блеска сверхновых Ia, D/H BBN — данные по измерению дейтерия при первичном нуклеосинтезе, lensing — данные по измерию линзирования CMB Planck, θMC — учет размера акустического горизонта.  Серым цветом показаны результаты, полученные группой Рисса. Из работы [1]
Рис. 5. Диаграмма «постоянная Хаббла H0 — плотность вещества Ωm» показывает различие в определении величины постоянной Хаббла в согласованной модели ΛCDM Planck и в данных группы Рисса. Разными цветами выделены измерения параметров при комбинации данных различных экспериментов, оттенками цветов — доверительные интервалы на уровнях 68% и 95%. Обозначения на картинке: BAO — барионные акустические осцилляции, Pantheon — данные по проекту измерения блеска сверхновых Ia, D/H BBN — данные по измерению дейтерия при первичном нуклеосинтезе, lensing — данные по измерению линзирования CMB Planck, θMC — учет размера акустического горизонта.
Серым цветом показаны результаты, полученные группой Рисса. Из работы [1]

Что активно обсуждается? Данные о SN Ia содержат информацию о близкой Вселенной, в то время как данные по реликтовому излучению — о далекой. Однако в РИ присутствует отражение физических процессов, связывающих его с современной эпохой. Это и скорость расширения Вселенной, которая отражается в характерных размерах пятен, и линзирование на крупномасштабной структуре (что, кстати, нельзя было наблюдать в предыдущей космической миссии WMAP из-за худшего разрешения), и, вообще, скорость формирования структур. Из приведенной выше формулы для H(z) видно, что параметр Хаббла — производный от параметров плотности, а постоянная Хаббла в этом описании может рассматриваться как калибровочный множитель. Однако, когда приводятся результаты измерения H0, часто оговаривается, что данная величина получена в рамках согласованной модели. Например, на рис. 5 приведены результаты совместного определения космологических параметров H0 и Ωm для барионных осцилляций, которые сейчас рассматриваются как независимая стандартная линейка, сверхновым, исследуемым в проекте Pantheon [6], а также по количеству дейтерия в первичном нуклеосинтезе и параметрам, измеряемым по данным РИ. Следует сказать, что в работе Planck [1] для построения функции правдоподобия используется ~1,3 тыс. объектов типа SN Ia из списка Pantheon, которые дают согласованные величины с данными Planck и барионных осцилляций, показанных на рис. 5.

Особенность работы группы Рисса заключается в том, что они уточнили шкалу расстояний по данным Gaia и, соответственно, привязку стандартных свечей. Но, в принципе, есть работы (см. [7]), в которых также по данным Gaia уточняется привязка цефеид и получается результат измерения H0, согласованный с данными Planck: H0= 67,6±1,52 км/с/Мпк.

Отдельным пунктом можно было бы обсудить определение космологических параметров с помощью данных по скоплениям галактик, которые также расходятся с основными космологическими результатами Planck (см. например, обсуждение в [8]). И здесь стоило бы обсудить различие оценок параметров по микроволновым, оптическим и рентгеновским данным и по результатам измерений гравитационного линзирования на скоплениях галактик. Этим результатам посвящена не одна статья. И, тем более, есть статьи коллаборации Planck, посвященные поиску скоплений галактик по эффекту Зельдовича — Сюняева на картах миллиметрового/субмиллиметрового диапазона, оценкам с помощью этих измерений космологических параметров и обсуждению различия величин параметров, определяемых таким образом [8]. Обсуждение результатов исследования скоплений галактик в микроволновом диапазоне, конечно, стоит отдельной статьи. Но здесь отметим лишь некоторые моменты, связанные со свойствами скоплений галактик. Данных по скоплениям галактик (как и самих скоплений) мало, так же, как и сверхновых типа Ia. Сейчас пока можно говорить о нескольких тысячах известных скоплений, а с эффектом Зельдовича — Сюняева — не больше двух тысяч. Наблюдаемых скоплений галактик практически нет при z>2 (хотя есть работы, посвященные исследованию протоскоплений на z~5), не очень ясны их границы в пространстве, и при больших z нет уверенности в точном определении их массы. В настоящее время разные группы разбираются с этими проблемами и, может быть, если число этих объектов возрастет с тысяч до нескольких десятков тысяч и будут надежные оценки их массы, то также возрастет и точность измерений на основе этих данных.

А что если верны измерения H0 и по согласованным данным Planck, и по данным группы Рисса? То есть рассматривается ли случай построения модели с особенностями по разным данным с отличающейся постоянной Хаббла? Да, рассматривается. Есть работы, где изучается возможное изменение плотности темной материи со временем, например ее распад [9], пространственные вариации темной энергии или даже особые эффекты Мультиверса. Всё это требует новой физики. Закрыть без точных измерений эти гипотезы пока нельзя. Особенно если вспомнить историю с темной энергией, когда новая физика ворвалась в нашу жизнь в 1998 году. И так и остается пока необъясненной.

Часто говорят, что измерения с помощью SN Ia являются прямыми измерениями, а измерения с помощью РИ — модельными. И этим объясняют различие в значениях H0. На мой взгляд, в этом замечании есть доля лукавства. Вообще, любые измерения являются модельными. Причем на разных этапах. При наблюдениях площадок неба моделируется и удаляется фоновая компонента на изображении, моделируется аппаратная функция прибора для определения интегральных характеристик сигнала, для учета собственных движений делаются выводы (тоже модельные) о движении звезд и галактик в родительских системах. И наконец моделируется тип локальной Вселенной — часто это евклидов мир с добавленным расширением, в котором применяется линейный или нелинейный закон Хаббла. С другой стороны, с чем же, как не с моделями, т. е. со стандартными шаблонами, сравнивать проведенные измерения? Они же и являются опорой наших выводов и основой поиска новых закономерностей. В той же работе Planck [1] обосновывается новый стандарт, объединяющий практически все космологические тесты в один, — стандартный угловой спектр мощности анизотропии РИ. Спектр сейчас содержит 2500 независимых измерений энергетических величин — квадратов амплитуд гармоник на различных угловых масштабах. Их значения строго привязаны к физическим процессам, протекавшим в разные эпохи Вселенной, и с помощью этой кривой можно измерять различные космологические параметры, в том числе и постоянную Хаббла. На мой взгляд (но он, в принципе, может и измениться под давлением новых измерений), Planck дал наиболее корректную величину постоянной Хаббла, а данные по SN Ia могут иметь скрытую систематику, связанную с неполнотой данных и нетривиальными процессами во вспышках. В конце приведу одну цитату из работы [1]: «Измерения Planck находятся в отличном согласии с независимыми построениями лестниц расстояний с использованием барионных осцилляций, сверхновых и результатов по распространенности элементов. Однако ни одна из расширенных моделей, которые обсуждались в данной статье, не позволяет по-настоящему справиться с напряжением, возникшим в связи с величиной H0 по данным Рисса и др. (2018)».

Но мир меняется, и каждый год появляются новые данные независимых экспериментов в различных энергетических диапазонах излучения Вселенной. При любом раскладе разрешение загадки расхождения измерений H0 даст новый толчок наблюдательной космологии. И это будет очень интересно. Я надеюсь.

Олег Верходанов,
докт. физ.-мат. наук, Специальная астрофизическая обсерватория РАН

  1. Planck Collaboration, Astron. Astrophys. In press (2019), arXiv: 1807.6 209
  2. Alam S. et al., Month. Not.Roy. Astr. Soc. 470, 2617 (2017), arXiv: 1607.3 155
  3. Planck Collaboration, Astron. Astrophys. 571, A16 (2014), arXiv: 1303.5076
  4. Верходанов О. В. Успехи физических наук 186, 3 (2016)
  5. Riess A. G. et al., 2018, arXiv e-prints, arXiv: 1804.10 655
  6. Scolnic D. M. et al., 2018, ApJ, 859, 101, arXiv: 1710.845
  7. Shanks T., Hogarth L. M., Metcalfe N., arXiv e-prints, arXiv: 1810.2 595
  8. Planck Collaboration, Astron.Astrophys. 594, A24 (2016), arXiv: 1502.1 597
  9. Chudaykin A., Gorbunov D., Tkachev I., Phys.Rev. Т. D97, С. 83 508 (2018)

1 См. Рубаков В., Штерн Б. Масштабная линейка Вселенной // ТрВ-Наука № 83 от 19 июля 2011 года, с. 2−3.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
13 Цепочка комментария
40 Ответы по цепочке
0 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
8 Авторы комментариев
Владимир АксайскийАлександр БукаловАнонимноричард(Войтто Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
ричард
ричард

«ΛCDM, которая удовлетворяет практически всем наблюдательным данным и описывает эволюцию Вселенной от момента ее возникновения до десятков миллиардов лет вперед. Модель включает конечное число параметров и имеет расширения (дополнительные параметры), которые также удается измерить с высокой точностью.» «Маленькие облачка» все же есть. Например, галактики на z>10, что требует множить «конечное число параметров»: https://ufn.ru/ru/articles/2018/2/a/. Или Холодное Пятно.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

А расширяется ли вселенная?
Амбарцумян в этом сомневался. По его словам с фотоном, по дороге, что-то происходит. Но современная физика такую возможность не допускает. Казалось бы остается только эффект Доплера и, как следствие, единственный вывод — галактики разбегаются.

Исследование метрики однородного пространства без вещества привели к удивительным результатам. Естественным и единственным параметром этой метрики является постоянная Хаббла. Тензор Эйнштейна позволяет вычислить плотность энергии пространства с этой метрикой. Эта энергия оказалась в точности равна критической плотности Вселенной, т. е. ожидаемой плотности энергии нашей Вселенной.
Другое свойство Вселенной с данной метрикой — ход времени в точках, удаленных от наблюдателя замедляется по закону, который близок к закону Хаббла.
https://www.researchgate.net/publication/322 645 143_Temnaa_energia_i_temnaa_materia_-_nulevaa_energia_gravitacionnogo_pola/download

ричард
ричард

История сомнений подробно:

http://narit.or.th/en/files/2017JAHHvol20/2017JAHH...20...02K.pdf
Валерий Морозов
Валерий Морозов

это другая история. Другие сомнения…

ссылочка не работает, кстати…

Максим Борисов
Редактор
Максим Борисов

Ссылка для движка глючная. Он старается отрубить хвост или заменить три точки троеточиями… Вот так вроде удалось обмануть

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Спасибо

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Нас спрашивают:
— Так расширяется Вселенная или не совсем?

Большинство уверенно отвечает — расширяется.
Я, не очень уверенно отвечаю — Вселенная стационарна.

Как бы то ни было, есть метрика, описывающая стационарное пространство с наблюдаемым красным смещением, плотностью энергии (темной энергии) и реликтовым излучением.

ричард
ричард

Реликтовое излучение и стационарное пространство не совместимы. Там CMB-перемолотый пылью свет звезд.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Ну это неправдоподобно.
Думаю однородная и бесконечная вселенная обязана светиться с очень большим красным смещением именно так…

Я ничего не говорю об усталом свете, это не физическая гипотеза. Я говорю пустом пространстве с зависимостью темпа времени от от расстояния. Причем эта зависимость только вначале близка к закону Хаббла. Далее красное смещение растет экспоненциально.
Все описывается простой метрикой однородного пространства (см. ссылку).

ричард
ричард

Вот более широкая подборка: http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/basic_connect?qsearch=%22tired+light%22&version=1. А здесь вчерашняя статья, продолжающая новую тему (БАО vs ПЧД): https://arxiv.org/abs/1906.1 443

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Спасибо, подборка грандиозна.
Этот материал наверно просмотрю, но то, что я видел довольно однообразное и бесцеремонное обращение с физикой.

Я же просто рассмотрел метрику однородного пространства. Только принципы ОТО. Так получилась, вообще однородные поля ведут продолжению теории без сингулярностей. Причины малоизвестны и о них не любят говорить. Хотя все недостатки сегодняшней ОТО можно найти и в трудах Эйнштейна и, даже, в Теории поля Ландау-Лифшица.
см. «Уравнение Эйнштейна и законы сохранения»
https://www.researchgate.net/publication/333 086 271_Uravnenie_Ejnstejna_i_zakony_sohranenia/download

ричард
ричард

1. Не думаю, что диссипация энергии-«довольно однообразное и бесцеремонное обращение с физикой». Скорее, таковым является expansion of space (не путать с эффектом Доплера!)
2.На мой взгляд, проблема tension Ho кроется в том, что мы недооцениваем оптическую толщу в субмм. диапазоне: БАО на z=1100 либо искажены, либо вообще мы видим, в основном, передний фон.
3. «Уравнение Эйнштейна и законы сохранения» здесь не причем.
4. Статья Долгова в УФН-признание того, что для формирования структуры ПЧД необходимы. Так что эпициклы множатся.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

В этом деле меня интересует физика, в основном. Астрофизические гипотезы основаны, как правило, на решениях уравнения Эйнштейна. При этом уравнение Эйнштейна выдается за эквивалент общей теории относительности. Не секрет, хотя это и малоизвестный факт, уравнение Эйнштейна не есть последовательное следствие принципов общей теории относительности. В 1915 году Эйнштейн исключил энергию гравитационного поля как источник поля из уравнения (в предыдущих версиях уравнения эта энергия входила в правую часть). Я уверен, что это был единственно верный путь построения уравнения с тензором Эйнштейна в левой части и Эйнштейн выжал в этом направлении все, что можно. Но это уравнение стало приближенным. Я наткнулся на другой путь нахождения тензора гравитационного поля. Сингулярности исчезли. Появился локальный закон сохранения. Казалось бы все хорошо… Но. Астрофизики вцепились в сингулярности.… Подробнее »

ричард
ричард

Глубокоуважаемый Валерий Борисович! Далеко не все «астрофизические гипотезы основаны на решениях уравнения Эйнштейна».Большую часть информации мы получаем анализируя электромагнитные волны, так что уравнение переноса излучения все же «главнее». Да и классическая теорема вириала тоже не фунт изюма. «Астрофизики вцепились в сингулярности». Опять мимо, большинству хватает ньютона или постньютона (см. ApJ, MNRAS, АЖ, АБ…) Но дело даже не в этом. Обсуждаемая тема (на мой взгляд, конечно)--видим ли мы БАО на z=1100 без искажений (например, холодной пылью, открытием которой в изрядных количествах порадовал нас сосед «Планка» «Гершель»). Более радикальный вопрос: «А есть ли БАО?» Не последуют ли они за «блинами» Зельдовича? Между z=10 и z=1000 очень немного времени.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Конечно нет нужды каждый раз прибегать к ОТО. И все-таки, большой взрыв, черные дыры — сингулярные решения уравнения Эйнштейна.

Эйнштейн призывал избавить теорию от сингулярностей (1955).
Что-то мне удалось сделать. Это не означает, что все стало проще.
Например, появилось решение с выталкивающим гравитационным полем. Похоже это объясняет пустоты и «пузыри Ферми», но астрофизика не мой конек.

archimed
archimed

Но реликтовое излучение не является сингулярностью, хотя и последствие БВ. И как совместить стационарность и ускоренное расширение Вселенной?

ричард(
ричард(

Никак. Ускоренное расширение Вселенной-это ИНТЕРПРЕТАЦИЯ наблюдений 1998−1999 годов SnIa (они оказались более тусклыми, чем-то, что предсказывала FRLW-модель.)

Валерий Морозов
Валерий Морозов

««Но реликтовое излучение не является сингулярностью»
Разумеется. Сингулярная точка во времени — начало большого взрыва.

«как совместить стационарность и ускоренное расширение Вселенной?»
Метрика однородного пространства предполагает экспоненциальную зависимость темпа времени при удалении от наблюдателя. Закон Хаббла (линейный) наблюдается только для небольших дистанций.
Кстати, эта метрика единственная, тут ничего не подправишь и не подгонишь.

ричард
ричард

«Кстати, эта метрика единственная"-сильное утверждение! Кстати, это теорема? А я думал, что споры вокруг «time dilation» еще не закончены: http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-ref_query?bibcode=2008ApJ…682.724B&refs=CITATIONS&db_key=AST

archimed
archimed

Известно, что галактики могут двигаться навстречу друг другу и даже сталкиваться. Это же должно каким-то образом влиять на результаты определения расстояний и скоростей во Вселенной! Или темная энергия в таких масштабах не настолько всесильна?

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Метрика единственная однородная зависящая от времени определенным образом. Отклонение от этой зависимости от времени ведет к неоднородности пространства.
https://www.researchgate.net/publication/322 645 143_Temnaa_energia_i_temnaa_materia_-_nulevaa_energia_gravitacionnogo_pola/download
Тут, разумеется, существенно предположение об однородности Вселенной.

ричард
ричард

Глубокоуважаемый Валерий Борисович! Увы, Ваши работы далеки от моих профессиональных интересов. В отличие от обсуждаемой статьи.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Я это заметил. Но… нулевая скорость расширения вселенной тоже скорость.

ричард
ричард

Да. Нулевая сумма на счете тоже сумма.

Войтто
Войтто

Почему гипотеза усталого света считается нефизической, а темная энергия — физической? И то и то не более чем сущность, призванная объяснить наблюдения, но никак не проявившаяся в земной лаборатории. А как выглядит такая нефизическая теория: красное смещение результат поглощения (ослабления) света веществом неизвестной природы (вот так хитро поглощающей энергию фотонов), равномерно заполняющим Вселенную, а CMB — излучение этой пыли? В отличие от LCDM и чистого TL имеем закон сохранения.

ричард
ричард

TL не требует нарушения закона Ломоносова-Лавуазье. Мы знаем, откуда «убыло», но не знаем, куда «прибыло». Ведь и то, куда девается энергия устающей стрелы, поняли не сразу.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Поглощение света ведет не сколько к смещению линий, сколько к их размытию. Изображение также должно размываться, но этого не наблюдается.
По моей версии темная энергия — энергия гравитационного поля. Причем плотность темной энергии в этом случае в точности равна ожидаемой.

ричард
ричард

«Спасибо, подборка грандиозна.
Этот материал наверно просмотрю, но то, что я видел довольно однообразное и бесцеремонное обращение с физикой.» Посмотрите, надеюсь, это избавит Вас от некоторых предрассудков. А еще стоит ознакомиться с «Курсом теоретической астрофизики» В. В. Соболева, там подробно о профилях линий и ни слова о темной энергии. Для меня интересно, что эта книга за 50 лет не устарела, в отличие от многочисленных «релятивистских» ровесников.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

«эта книга за 50 лет не устарела» Обычное дело. Примеров тому много… Спасибо, нашел у себя подборку книг по астрофизике, втом числе и Соболева. Как-то в голову не пришло посмотреть ее раньше. Разумеется не буду влезать слишком глубоко, есть опасность увлечься деталями. Главный вывод из нашего разговора — мне надо чаще общаться с астрофизиками. Тут море данных, которые трудно охватить стороннему человеку. Один из главных для меня вопросов. Правильно ли я понимаю, что плотность Вселенной оценивается по близости этой величины к критической плотности? Я получил эту величину просто из метрики однородного пространства. Единственный параметр метрики имеет размерность постоянной Хаббла. При этом я не использовал ни уравнение Эйнштейна, ни лямбда коэффициент. Плотность пространства оказалась равна критической плотности Фридмана, но при этом она не зависит от времени. При… Подробнее »

ричард
ричард

«что это значит я не очень понимаю». Я тоже.
«Правильно ли я понимаю, что плотность Вселенной оценивается по близости этой величины к критической плотности?» Нет, оценивается из наблюдений. В модели инфляции должна быть равна критической.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

«В модели инфляции должна быть равна критической.»
Я именно на это и обратил внимание, поскольку получил тоже критическую плотность, но пустого ОТОшного пространства.
Но разве критическая плотность не говорит о стационарности? Или я неверно понял Фридмана? (Кстати работы Фридмана и Эйнштейна сохранили актуальность и через сто лет).

ричард
ричард

«Или я неверно понял Фридмана?» Скорее, многие просто не поняли Гута и Линде: https://trv-science.ru/2017/05/23/stolknovenie-kosmologov/ Мне, например, от одного словосочетания «распад ложного вакуума» становится тревожно на душе. Это Вам не обратный Комптон.

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Гинзбург в такой ситуации говорил: «Это уже не физика»

ричард
ричард

Как быстро меняются «современные представления» об образовании крупномасштабной структуры. Про «блины» не вспоминают давно, хотя Рубаков заменил Зельдовича на книжных полках лет этак 10 тому назад… Но вот два важных обзора: https://ufn.ru/ru/articles/2011/10/a/ и https://ufn.ru/ru/articles/2018/2/a/. А что будет, когда JWST увидит гарактики на z=20−25, а LISA, напротив, не увидит сигнала от сборки SMBH?

Анонимно
Анонимно

«Космологическая модель ΛCDM описывается минимальным набором из шести космологических параметров…»

«With four parameters I can fit an elephant, and with five I can make him wiggle his trunk.»
Attributed to von Neumann by Enrico Fermi

ричард
ричард

Даже в паспорте гражданина РФ больше пунктов (параметров).

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Стационарную вселенную с красным смещением и темной энергией можно описать простой метрикой с единственным параметром — постоянной Хаббла.

Александр Букалов
Александр Букалов

Удивительно, что вопрос о несоответствии данных по параметру Хаббла поднят только сейчас. Еще 11 лет назад астрономы, которые исследовали движения галактик в Местной группе, и др., говорили мне на конференциях, что оценивают величину параметр Хаббла — 73−74 км/с/Мпк. Это уже было несколько выше, чем давал WMAP, но не очень ему противоречило — в пределах погрешностей. Но тогда еще не было Planck и его данных. И проблема сразу обнаружилась после публикации первых результатов Planck, но ее обсуждали больше в кулуарах. А теперь фактически Рисс просто подтвердил прежние локальные данные на своих объектах — сверхновых. Так что проблема видимо остается.

ричард
ричард

Вообще, вопрос поднят в 30-е годы, когда Но=500−550, что делало Землю старше Вселенной. Бааде и Сендедж занимались лечением несколько десятилетий. Нашли аж три ошибки (например, Хаббл путал области НII с яркими звездами). Так что tension преследует Ho с рождения.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

Статья понравилась — но уж больно пестрая смесь размерных и безразмерных единиц.
И еще, — может стоило чуть шире затронуть тему ускорения расширения Вселенной? Похоже, сейчас уже без этого обсуждать проблему согласования скорости расширения нелогично. Наверное, многим было бы интересно увидеть оценку численного значения ускорения в привычной размерности m*s^-2.
К слову — почему эффект Доплера рассматривается только в варианте радиального относительного движения источника и приемника? — ведь по виду и размерностям величин уравнение Хаббла в точности совпадает с уравнением вращательного движения Vл=ώ*r, где ώ=Ho. Тогда по графику Хаббла для вращения на глазок получим оценку ускорения ((500 km*s^-2)^2)/(106 pc)=8*10*-12 m/s^-2, или можно умножением квадрата постоянной Хаббла на характерное расстояние Ho2*106 pc=1.5*10^-13 m/s^-2.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

В последней фразе увидел ошибку в размерности ускорения m/s^-2, надо m/s2. Слаб человек. :)

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Уж коли я сказал «темная энергия», скажу и про «темную материю».

Темная энергия, чтобы это не означало, весома. Следовательно, должна собраться в кучку вокруг массивных тел. Это напоминает поведение «темной материи». Можно принять, что темная энергия — нулевая энергия гравитационного поля. В пользу этого энергия пустого однородного пространства, которая вычисляется из соответствующей метрики.
https://www.researchgate.net/publication/322 645 143_Temnaa_energia_i_temnaa_materia_-_nulevaa_energia_gravitacionnogo_pola/download

Александр Букалов
Александр Букалов

А вот свежий пример гипотез, что за расхождениями может стоять новая физика, например 4-е нейтрино:
https://arxiv.org/pdf/1812.6 064.pdf

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

Заглянул в недавний обзор — «Космологическое ускорение. С.И. Блинников, А.Д. Долгов (УФН 201906)» — надеялся увидеть оценку численного значения ускорения, — не увидел. Любопытно — что мешает профессионалам-космологам сделать оценку?

ричард
ричард

«мешает» профессионализм.

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

Похоже, Вы правы. Редко, когда теоретик позволяет себе публично выглянуть за пределы корпоративной дозволенности. В свое время меня заинтересовала оценка численного значения кривизны континуума — нашел её только у редкостно смелого теоретика — Поля Дирака, у него она ~ 10^-18 см^-1. Получается, континуум в ОТО практически плоский — и волны, скорее всего, поверхностные, а не объемные. Хотя, похоже, допустимы модели вложенных, расслоенных пространств — квазиобъемный континуум. С точки зрения научного работника по призванию, интересна и имеет право на некоторое существование любая модель, позволяющая выживать в этом Мире — будь то эмпирическая, научная, религиозная и так далее. Разумеется, если не становиться полностью её рабом — как показывает опыт, это уменьшает шансы на выживание — личное и коллективное. Несерьезный пример: в рамках подобия и размерностей, уравнение гравитации ОТО из Википедии можно трансформировать в уравнение… Подробнее »

ричард
ричард

Я о Вашем вопросе: «Заглянул в недавний обзор — „Космологическое ускорение. С.И. Блинников, А.Д. Долгов (УФН 201 906)“ — надеялся увидеть оценку численного значения ускорения, — не увидел.» Загляните еще раз! Насколько я понимаю, Вас интересует вторая производная по времени масштабного фактора «а (t)"(см. 2.5). Воспользуйтесь уравнением (5.12). Это, скорее, упражнение по матанализу для 1 курса, а не недосмотр «профессионалов-космологов».

Владимир Аксайский
Владимир Аксайский

Да, меня интересует численное значение величины, называемой космологическим ускорением — это «а с двумя точками» в уравнении (2.6). Я не сумел воспользоваться вашим советом — остановила не математическая техника, а мое непонимание «естественной» системы единиц — она меня приводит в состояние ступора с открытым от изумления ртом, — ну не космолог я. Поэтому буду благодарен за численной значение космологического ускорения по любой модели в привычной для меня размерности m*s^-2.

ричард
ричард

Вот сегодняшний препринт на близкую тему: https://arxiv.org/pdf/1906.5 861.pdf

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Неожиданный результат. Фактически это ограничение на размер галактик.

ричард
ричард

Наоборот, широко обсуждаемый! Причем, не только в LCDM: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10511−012−9211−3

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Мне не дает покоя такая мысль.
С точки зрения гипотезы большого взрыва в момент, когда большой сгусток плазмы стал прозрачным излучение стало свободно и продолжает расширяться. Вряд ли это зеркальный ящик, который расширяется и в конце концов, на радость нам, охлаждает свет до температуры реликтового излучения.

Посмотрим на газоразрядную лампу уличного фонаря. Выключим ее. Что-то не верится, что свет вернется в лампу.

Можно заняться арифметикой и сравнить скорость расширения вселенной и скорость света. Меня не покидает ощущение, что скорость света всегда больше скорости расширения и в конечной Вселенной должно быть «темно».

Валерий Морозов
Валерий Морозов

Свет, как правило, несет изображение. Реликтовое излучение как бы несет изображение Большого взрыва. Я не могу представить себе оптическую систему которая даст такое изображение. Разве что удаляющееся с релятивистской скоростью зеркало.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (7 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: