Спросите Итана №67: тёмная материя против тёмной энергии

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-67-dark-matter-vs-dark-energy-dc1e7e5d8a25#.x8uykob9h
  • Перевод

Вселенная выглядит причудливо: изобилие галактик, множество кластеров, но нет ничего сильно больше по размеру. Почему она стала именно такой?


Мы неправдоподобно небрежно относимся к формированию наших верований, но находим в себе неоправданную страсть к ним, как только кто-то предлагает лишить нас их компании
Джеймс Харви Робинсон


Конечно, у большинства из нас есть представления о том, как наша Вселенная стала такой, какая она есть. Но некоторые детали, неважно, насколько они научно обоснованы, сбивают с толку. На этой неделе мне задаёт вопрос Том Андерсон:

Тёмная материя притягивает, тёмная энергия отталкивает. Тёмная энергия непрерывно поддерживает расширение пространства между гравитационно связанными галактиками/кластерами, и текущее научное представление состоит в том, что она будет вечно расширяться, охлаждаться и всё закончится «большим замерзанием». Но гравитационно связанные системы не расширяются, и совместная сила тяготения тёмной и обычной материи равна или превосходит силе отталкивания тёмной энергии и обычной энергии. Почему же Вселенная вообще расширилась после Большого взрыва? Почему тёмная материя не оказала противодействия тёмной энергии в начале Вселенной?

Вопрос насыщенный, так что давайте разделим его на части.



Принципы работы Вселенной и формирования структур, таких, как звёзды, галактики и кластеры, находятся за пределами нашего бытового опыта. Если крайне упростить, то Вселенная состоит из расширяющегося пространства-времени, и скорость расширения начинается с какого-то значения, определённого физикой космической инфляции и тем, как заканчивается инфляционный период.



Но скорость расширения не остаётся постоянной по окончанию инфляции, поскольку Вселенная наполнена всякими другими формами энергии: излучением, материей, антиматерией, нейтрино, тёмной материей, и небольшим количеством присущей пространству энергии, известной, как тёмная энергия. Именно комбинация всего этого – меняющаяся с расширением Вселенной – определяет изменение скорости расширения во времени.



В глобальном масштабе, если взять всю Вселенную целиком, она либо реколлапсирует полностью, либо будет расширяться бесконечно, или окажется на границе этих двух случаев – в зависимости от того, какими именно окажутся соотношения всех различных форм энергии, присутствующих во Вселенной.

Во Вселенной, в которой мы живём, всё выглядит так, что она будет расширяться вечно, и в будущем тёмная энергия станет доминирующей силой.



Но этот анализ не работает на всех масштабах Вселенной: он лишь описывает сценарий на глобальном масштабе. Он говорит о том, что в нашем случае в будущем все объекты, не связанные друг с другом гравитацией, будут разлетаться друг от друга с ускорением.

Но остаются системы, связанные гравитацией, существующие на небольших масштабах в огромных количествах, на средних масштабах – в умеренных количествах, и на больших масштабах – редко, но встречающиеся. И все они оказываются частью одной космической истории.



Вселенная не родилась идеально гладкой, с абсолютно одинаковыми количествами материи, излучения, тёмной материи и тёмной энергии во всех местах. Если бы это было так, Вселенная была бы ужасно скучным, идеально однородным морем, где везде было бы всего одинаково. Не было бы звёзд, галактик, планет, пустот, людей, животных, жизни, кластеров, нитей.

Вместо этого, с самого начала времён во Вселенной были участки с повышенной и пониженной плотностью на всех масштабах: малых, средних и больших.



Тёмная материя помогает участкам с высокой плотностью расти, и они могут делать это достаточно быстро для того, чтобы сколлапсировать из-за гравитации, всего лишь за десятки миллионов лет. Всё идёт так, будто во Вселенной появились небольшие участки с такой большой плотностью, что если бы вся Вселенная была такой плотной, она бы довольно быстро реколлапсировала!



Конечно, во многих других участках плотность ниже средней, и они раздают свою материю участкам с высокой плотностью. Если бы вся Вселенная была такой же, как эти участки, у нас было бы очень, очень мало звёзд, галактик и кластеров.

Но именно это разнообразие начальных условий во Вселенной позволило нам получить разнообразие всего, что мы видим сейчас. В космической битве между тёмной материей и тёмной энергией, гравитации с расширением, в сражении космической «тяги», формирующей структуры, и космического «отталкивания», препятствующего этому, есть и победители, и проигравшие.



Мы легче замечаем победителей, поскольку они испускают и поглощают видимый свет и свет с других частей электромагнитного спектра, приводят к гравитационному линзированию, и поскольку наличие чего-либо легче обнаружить, чем отсутствие.



Но существуют и пустые участки, которые тоже имеют значение, и которых гораздо больше, чем «полных»! Суммарная сила притяжения тёмной и обычной материи может побороть и изначальное расширение, и дополнительную ускоряющую силу тёмной энергии, но только на небольших масштабах и в достаточно ранние времена.

Увеличивая масштаб, мы видим, что у отталкивания становится всё больше побед, а на самых больших масштабах оно выигрывает всегда.



Вселенная сначала расширялась из-за заданных инфляцией условий, и возможности реколлапсировать – благодаря гравитационному притяжению материи, тёмной материи, излучения и нейтрино – хватало для побед только в избранных местах. Притяжение победило не везде, а лишь в меньшинстве случаев, и проиграло в среднем.

Именно поэтому, наблюдая нашу Вселенную, мы видим множество разбросанных по ней галактик, многие из которых собрались в группы и большие скопления, а на больших масштабах они выстроились вдоль линий. Но эти группы, состоящие из тысяч галактик и простирающиеся на сотни миллионов световых лет, скорее всего, являются крупнейшими из связанных гравитацией структур. На более крупных масштабах все структуры временные, и наличие тёмной энергии, в конце концов, растащит их.



Если бы во Вселенной было чуть-чуть побольше тёмной материи – на 1/1024 больше – она бы реколлапсировала миллиарды лет назад. Она очень долго была точно сбалансированной – с гравитацией, где-то побеждающей локально, где-то проигрывающей – но сейчас, когда тёмная энергия стала преобладать, мы видим, что её воздействие победит. Оно победит в конце, на крупнейших масштабах, и для всего, что не было связано гравитацией в первые семь, или около того, миллиардов лет жизни Вселенной.

Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Поделиться публикацией
Комментарии 26
    +1
    Первые две картинки в статьях «Спросите Итана» встречаются так часто, что при прочтении меня постоянно преследует чувство дежавю…
      0
      Глупо помечтаю в оптимистичном айти-теологическом направлении: темная материя — контейнер для пространства с единицей «космоса» — галактикой например, темная энергия — загробная жизнь/логи/отключенный сборщик мусора — контейнеры без прямого доступа, с результатами работы «космического» контейнера. Логи растут — контейнеры расходятся.
        0
        Вот терзает меня вопрос, откуда ж появилась ТЭ, что ее породило? ТЭ не является проявлением ТМ — это понятно. Но может ли энергия существовать без материи, может ли энергия возникать не от взаимодействия материи. Блин, эта ТЭ порождает еще большее количество вопросов, чем дает ответов.
          0
          Энергия === материя.
            +1
            это вы мне сейчас намекнули, что ТЭ — это проявление ТМ? Вы знаете свойства и состав ТМ? Или вы мне сейчас намекаете, что кроме ТМ есть темнейшая материя, которая и порождает ТЭ?
          0
          А плотность темной энергии в разных местах вселенной разная или одинаковая? Можно это как-нибудь проверить?
            0
            когда узнают ее химические и физические свойства и научатся фиксировать с помощью приборов, а не только по косвенным гравитационным взаимодейтсивям
              +1
              По текущим представлениям — одинаковая в теории и скорее всего одинаковая на практике. По крайне мере на больших масштабах (от миллионов световых лет и дальше), на малых фиксировать/наблюдать просто нечем ни напрямую ни косвенно, поэтому об локальной однородности/неоднородности сказать ничего нельзя.

              Проверить — по основному проявлению. Как считается ТЭ приводит к расширению пространства с темпами зависящими как раз от ее плотности. Данные наблюдений за скоростью расширения до объектов (других галактик/групп галактик) находящихся на самых разных расстояниях и в разных направлениях от нас (наблюдателя) показывают, что скорость НЕ зависит от направления и ~линейно зависит от расстояния. Т.е. если причина расширения пространства это ТЭ — то ее плотность должна быть везде одинаковой.
              +1
              А ведь возможны и более сложные сценарии.
              Например, пузырь после взрыва в жидкости — пульсирующий.
                0
                Вот умом понимаю, что не просто так эти идеи про ТМ/ТЭ возникли, но всё время кажется, что это какой-то костыль вроде эпициклов. Больно уж эта теория… некрасивая, что ли.
                  –6
                  Костылём является ТМ — для сохранения ньютоновской динамики в межгалактических масштабах. Её ввели, потому что иначе не могут объяснить высокую скорость вращения звёзд в галактических дисках и галактик в их скоплениях (кластерах). Без доп. материи, которая должна их притягивать к центрам масс, они якобы давно вылетели из своих систем.
                  Суть в том, что для учёных до сих пор не ясна природа гравитации, а формулы Ньютона хорошо работают в Солнечной системе. И по инерции эти формулы применяют для описания гораздо более масштабных систем, где начинает работать ТЭ.
                  А что такое ТЭ? Это энергетически плотный вакуум, точнее, эфир, который расширяется и раздвигает кластеры. Он расширяется из-за его уплотнения новыми «квантами пространства» — эфиронами. Эфироны поступают в него из пятого измерения.
                  Эфир не только раздвигает кластеры, он ещё втекает в них, в их галактики. И поэтому сносит к их центрам масс соответственно галактики и звёзды. Эти потоки эфира усиливают центростремительные ускорения и силы, что делает ненужной ТМ.
                  Но такое объяснение рождает вопрос: а куда девается эфир, втекающий в скопления галактик и в галактики? Он поглощается их материей. В частицах материи образующие его эфироны ликвидируются — выводятся в пятое измерение.
                  Таков механизм гравитации. Ещё Ньютон предполагал, что плотность эфира в телах меньше, а вне тел — больше, и это могло бы объяснять
                  гравитацию. Так это и оказалось, но пока под плотностью эфира понимается энергетическая плотность вакуума.
                  О физической сущности пятого измерения, эфира и эфиронов я говорил здесь: https://geektimes.ru/post/277698/
                    +4
                    Ваш дилер подсунул вам какую-то дрянь.
                      –2
                      У вас последствия хуже — вы даже не можете сформулировать конкретный вопрос или возражение. Мой упрёк касается всех оппонентов. Выражая своё неудовольствие минусами и подобными фразами, вы лишь показываете свою дистанцию от моего понимания проблем. А вдруг оно окажется верным? Поэтому старайтесь возражать конкретно. Истина того стоит.
                        +1
                        Ну публикуйся, ёпт твою мать, тогда.
                          +1
                          Тут, знаете ли, и вопрос не задашь. Это просто ваши фантазии, приправленные умными словами, с уроков физики, и ничего более. За вашим буквами не стоит ни последовательной теории, не наблюдательных фактов.
                            0
                            тогда подумайте, что такое вакуум и из чего он состоит? Из-за чего и за счет чего возникает эффект Казимира, кванотовые флуктуации, а также доказанное Хокингом испарение ЧД. Человек назвал это эфиром, но вы можете обзывать это как угодно.
                    0
                    Вчера перед сном как раз думал об расширении вселенной и ее ускорении. Не может ли ускорение расширения быть следствием того, что каждая звезда что то там излучает. И всякого рода частицы, подобно ветру, воздействуют на другие звезды и отталкивают их. Такое возможно или нет?
                      0
                      Это все естественно учитывается. Но во-первых этих сил явно недостаточно. Например гелиопауза (для других звёзд астросфера) — расстояние, на котором солнечный/звёздный ветер способен оттеснять межзвёздное вещество от Солнца/звезды, ограничивается единицами световых лет. О том, чтобы «оттолкнуть» другую звезду, к тому же удалённую на расстояние многих световых лет и речи не идёт, тут другие порядки сил.
                      А во вторых самое главное — расширение вселенной в значительно большей мере происходит не на межзвездных, а на межгалактический и межкластерных расстояниях в миллионы световых лет. На таких расстояниях звёздный ветер уже ни на что повлиять не может.
                        0
                        В однородной Вселенной давление не может оказывать «механического» влияния на её динамику.

                        Скажем, на Земле мы все испытываем атмосферное давление, но оно нас никуда не «расталкивает». Но у атмосферного давления есть небольшой вертикальный градиент (с высотой давление падает) — благодаря этому градиенту на все тела таки действуют сила, направленная вверх (архимедова сила), против градиента давления, позволяющая наполненным гелием шарикам взмывать ввысь. Но в масштабах Вселенной давление всюду однородно, градиента (и, следовательно, силы) нет.

                        На примере звёзд — каждая звезда получает излучение от других звёзд равномерно со всех сторон, так что излучение её никуда не выталкивает. (Да и масштабы не те.)

                        Ускорение/замедление расширения Вселенной полностью определяется гравитацией. Почему гравитационные силы, в отличие от сил давления (включая давление излучения звёзд), не уравновешиваются, несмотря на однородность — в двух словах не сказать; можете посмотреть мои комментарии к предыдущим выпускам Итана, где я описывал ньютоновскую модель расширения Вселенной. Дело в том, что однородность с гравитацией имеет место лишь при учёте принципа эквивалентности, при рассмотрении переходов в ускоренные СО; в каждой же конкретной СО всегда есть центр масс, притягивающий к себе все остальные объекты. (В ОТО, конечно, гравитация не является силой, и рассматривается обычно система координат, где не тела разлетаются, а само пространство расширяется; но в целом суть та же.)

                        В ОТО давление, наряду с плотностью энергии, тоже является источником гравитации, так что влияние на расширение оно оказывает — но не такое, как можно было бы интуитивно ожидать: положительное давление замедляет расширение. Так что излучение звёзд никак не может способствовать ускоренному расширению (у излучения давление положительное). Наоборот, оно объясняется _отрицательным_ давлением тёмной энергии.
                          0
                          Нет, сила гравитации падает как квадрат расстояния между обьектами, телесный (обьемный) угол и, как следствие, давление света тоже падает как квадрат от расстояния.
                          0
                          «В глобальном масштабе, если взять всю Вселенную целиком, она либо реколлапсирует полностью, либо будет расширяться бесконечно, или окажется на границе этих двух случаев...»

                          Откуда такая философия? У нас Вселенная появилась около 14 млрд лет назад — как компактный, горячий расширяющийся объект. Это сразу рождает вопросы: где произошло это событие, в каком пространстве? И что было до этого события? Сжатие предыдущей Вселенной? Тем более, в каком пространстве происходит её вечная пульсация? Она в одиночку так пульсирует, или, учитывая наш опыт познания мира, следует допустить существование множества пульсирующих вселенных?
                          В общем, наша Вселенная, как однажды родившийся объект, уже не соответствует понятиям вечности и бесконечности. Им соответствует внешнее для неё пространство, назовём его сверхпространством. В нём, скорей всего, родилось и расширяется множество вселенных, соразмерных нашей.
                          Проследим, что будет с таким множеством, и поможет ли его допущение решить вопрос происхождения Вселенной.
                          Как в нашей, так и в соседних вселенных расширяется их энергетически плотный вакуум. И мы помним, что при его расширении плотность его не снижается, как у обычных сред. Откуда-то она постоянно возобновляется, и лишь свободное увеличение вселенского объёма вакуума позволяет сохранять его плотность неизменной — как космологическую постоянную.
                          Это значит, что когда в случайном центре первые вселенные соприкоснутся и начнут сжимать друг друга, то плотность их вакуума станет расти. Сразу расширяться под его влиянием вселенные не смогут, ведь на них давят всё новые и новые вселенные, которые сливаются с ними в один общий объём. Так образуется пространство более масштабной вселенной — макровселенной. Рост плотности её среды достигнет критической, и тогда начнётся её быстрое расширение — её Большой взрыв. Частицы материи в ней образуются из фотонов — разумных вселенных, успевших завершить полный цикл внутренней эволюции.
                          В вечном и бесконечном сверхпространстве таким путём возникнет множество возникнет макровселенных. Их расширение и последующее взаимное сжатие породит ещё более масштабные вселенные, и т.д. Предполагаем, что и пространство вселенных нашего масштаба тоже состоит из взаимно сжатых вселенных предыдущего масштаба — микровселенных. А их пространство — соответственно из ещё менее масштабных вселенных и т.д.
                          То есть существует бесчисленной множество не только вселенных, но и самих масштабов их пространств. В этом заключается сущность пятого измерения. Вероятно, что наша Вселенная и её ближайшее окружение возникло при флуктуации плотности пространства макровселенной. И у неё есть шанс эволюционировать в разумную Вселенную (единую систему вселенских цивилизаций). Став фотоном в макровселенной, она примет участие в её эволюции. В противном случае, она станет «квантом пространства» макровселенной и внутренне деградирует.
                          Вот варианты нашего будущего, которые объясняют и наше прошлое — происхождение Вселенной. И даже темп её расширения — замедление из-за предельного количества материи, а потом ускорение («медленный Большой взрыв») — свидетельствуют об этом.
                            0
                            Предлагаю для этой серии специальный хэштег использовать, например, #спроситеитана
                            0
                            Спасибо! Оказалось, я искал хэштег в списке хабов
                            P.S. Не туда
                              0
                              По поводу Большого взрыва есть интересная лекция про современную теорию:
                              Многоликая Вселенная. Андрей Дмитриевич Линде elementy.ru/lib/430484
                              Снимает много вопросов и теория более красивая.

                                +1
                                Mendel попросил оставить комментарий за невозможностью сделать это самостоятельно.

                                Если взять одномировую интерпретацию, то Вселенную можно представить как множеством точек в пространстве с небольшой размерностью (4 измерение + скорости и еще по мелочи), а можно представить как одну точку в многомерном пространстве, где для каждой частицы у нас будет N измерений вроде ее координат, скоростей, спинов и т.п.
                                Конечно это упрощенно, но в принципе если представить что Вселенная это точка в пространстве возможных состояний, то упрощения незначительны.
                                Теперь переходим к Мультиверсу.
                                По сути мы получаем не точку, а поле вероятностей нахождения в этой точке.
                                Это в принципе стандартно и даже насколько я знаю немного устарело.

                                Теперь у меня вопрос — если все эти миры существуют со своей вероятностью, то по логике они должны взаимодействовать друг с другом. Лучшим кандидатом тут будет гравитация. Допустим гравитация между разными «мирами» убывает по четвертой степени «расстояния между мирами» (закон убывания можно подбирать исходя из стабильности модели и прочих факторов реального мира). Расстоянием между мирами считаем расстояние между точками наших миров в пространстве возможных состояний.
                                При правильном подборе функции затухания такая «альтернативная масса» сойдется на конечном числе которое вполне может совпасть с массой темной материи.

                                Тут у меня напрашивается сложность с очень близкими мирами, и я не придумал ничего кроме как сделать массовые частицы безмассовыми, но присутствующими на большой протяженности «соседних миров», что в сумме дает им интегральную массу.

                                Вообще мыслей много, но низкий уровень моей грамотности не позволяет развить это до более-менее внятной теории.

                                Благодарю за внимание и надеюсь на ответ.

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое