Спросите Итана №83: что, если тёмная энергия не настоящая?

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-83-what-if-dark-energy-isn-t-real-dd8b0a776704#.1vjw9at27
  • Перевод
Если наши "стандартные свечи" окажутся не очень стандартными, останется ли тёмная энергия?


Одни: «Мир кончится в огне!»
-«Нет, — сгубит лёд!»
Коль страсти пыл известен мне,
Я б предпочёл гореть в огне.
Но если дважды гибель ждёт,
Сколь хрупок мир, могу понять,
Познавши ненависти лёд:
Чтоб мир сломать
И лёд сойдёт.
— Роберт Фрост


Периодически в науке происходят потрясающие открытия, навсегда меняющие наше представление о Вселенной. В конце 1990-х наблюдения удалённых сверхновых чётко показали, что Вселенная не просто расширяется, но что удалённые галактики увеличивают скорость убегания от нас. Это открытие, удостоенное Нобелевской премии, рассказало нам о судьбе нашей Вселенной. Но среди ваших вопросов на этой неделе есть вопрос от Жуана Карлоса, упомянувшего новое исследование, и задавшего вопрос по его поводу:
Я тут прочитал статью на Eurekalert и подумал, что и вам тоже нужно её прочесть. Не могу дождаться ваших комментариев о ней.


Статья была написана по пресс-релизу Аризонского университета – я был там постдоком всего несколько лет назад. В ней говорится следующее:


Команда университета обнаружила, что тип сверхновых, обычно используемых для измерения расстояний во Вселенной, разделяются на ранее неизвестные категории.

Потенциально это очень серьёзный фактор, влияющий на наше понимание Вселенной и её судьбу. Давайте вернёмся на 100 лет назад, к уроку, который мы должны были выучить, и затем перенесёмся обратно в сегодняшний день, чтобы понять, зачем.



В 1923 году Эдвин Хаббл рассматривал непонятные, тусклые «спиральные туманности» в небе, изучая появляющиеся в них сверхновые и пытаясь добавить в копилку наших знаний сущность этих объектов. Некоторые спорили, что это зародыши звёзд в Млечном пути, другие считали, что это “островные Вселенные”, удалённые на миллионы световых лет от нашей Галактики, состоящие из миллиардов звёзд.

Наблюдая за большой туманностью в Андромеде 6 октября того года, он увидел взрыв новой звезды, затем второй, а затем – третий. И затем случилось нечто беспрецедентное: четвёртая новая появилась точно на месте первой.



Взрывы новых звезд иногда случаются повторно, но для этого им обычно требуются сотни и тысячи лет, поскольку это происходит, когда на поверхности сколлапсировавшей звезды скапливается горючее, в количестве, достаточном для возгорания. Из всех обнаруженных нами новых даже у самых быстрых звёзд повторное возгорание отнимает много лет. Идея повторной новой в течение нескольких часов была абсурдной.

Но существовал известный нам объект, который мог переходить из яркого в тусклое состояние и обратно за несколько часов: переменная звезда! (Поэтому он вычеркнул букву «N», обозначающую новую, и написал «VAR» – переменная).




Невероятная работа Генриетты Суон Ливитт научила нас, что некоторые звёзды во Вселенной – Цефеиды, пульсирующие переменные звёзды – переходят из яркого в тусклое состояние с определённым периодом, и этот период неразрывно связан с их истинной яркостью. Это важно, поскольку если вы измерите период (что сделать легко), вы узнаете истинную яркость звезды. А поскольку вы легко можете измерить видимую яркость, вы сразу же узнаете расстояние до объекта, поскольку отношение яркости к дальности известно уже сотни лет!



Хаббл использовал эту информацию о переменных звёздах и то, что мы можем найти их в этих спиральных туманностях (сегодня известных, как галактики), чтобы измерить их расстояние до нас. Он сопоставил их известное красное смещение с расстояниями и вывел закон Хаббла и скорость расширения Вселенной.

Круто, да? Но мы, к несчастью, часто представляем это открытие в слишком выгодном свете: заключения Хаббла о скорости расширения Вселенной были ошибочными!



Проблема была в том, что переменные Цефеиды, измеренные Хабблом в этих галактиках, отличались от Цефеид, измеренных Генриеттой Ливитт. Оказалось, что Цефеиды делятся на два класса, о чём Хаббл не знал. И хотя закон Хаббла работал, его изначальные прикидки расстояний оказались слишком малы, и поэтому его предположения о скорости расширения Вселенной оказались слишком велики. Со временем мы скорректировали их, и хотя общие выводы – что Вселенная расширяется, и что спиральные туманности являются галактиками, удалёнными от нашей – не поменялись, детали расширения однозначно изменились!

Перенесёмся в сегодняшний день.



Сверхновые светят ярче Цефеид, и часто могут превзойти по яркости – хотя и на короткое время – всю свою галактику! Вместо миллионов световых лет их можно увидеть, при благоприятных обстоятельствах, на расстояниях более десяти миллиардов световых лет, что позволяет нам заглядывать всё дальше и дальше во Вселенную. Кроме того, особый тип сверхновых, Ia, получается из вышедшей из-под контроля реакции синтеза внутри белых карликов.

При возникновении таких реакций уничтожается вся звезда целиком, но что важно, световая кривая сверхновой, то есть то, как она становится со временем ярче, а затем тусклее, хорошо известно, и имеет универсальные свойства.



К концу 1990-х было набрано достаточно данных по сверхновым, расположенным на достаточно больших расстояниях, и две независимые команды – Команда поиска сверхновых High-z [High-z Supernova Search Team] и Космологический проект по сверхновым [Supernova Cosmology Project] – объявили, что из этих данных следует ускорение расширения Вселенной, и что во Вселенной доминирует некая форма тёмной энергии.

Как и многие другие, я отнёсся к этому скептически, поскольку если бы сверхновые были не так хорошо изучены, как мы думаем, все эти заключения пришлось бы отбросить.




Во-первых, сверхновые могут появиться двумя разными путями: от аккреции материи со звезды-компаньона (L) и от слияния с другим белым карликом ®. Приведут ли эти пути к появлению одинаковых сверхновых?

Во-вторых, эти сверхновые, удалённые на огромные расстояния, могут появляться в условиях, сильно отличающихся от тех, что находятся близко к нам. Точно ли то, что видимые нами световые кривые соответствуют световым кривым на огромных расстояниях?

В-третьих, возможно, что с этим светом что-то произошло, пока он совершал своё удивительное путешествие на гигантское расстояние. Точно ли не существует нового типа пыли или какого-то свойства, приглушающего свет (к примеру, фотон-аксионных осцилляций)?



Оказывается, все эти вопросы можно разрешить и отмести. Они не являются проблемами. Но недавно – подходя к сути вопроса Жуана Карлоса – мы обнаружили, что эти т.н. «стандартные свечи» могут не быть такими уж стандартными. Точно так же, как Цефеиды бывают разных типов, эти сверхновые типа Ia тоже бывают разных типов.

Представьте, что у вас есть коробка свечей, которые вы считали идентичными: их можно было зажечь, поставить на разных расстояниях, и сразу же, измерив видимую яркость, узнать, как далеко они находятся. Эта идея используется в астрономии, и поэтому сверхновые типа Ia так нужны нам.



А теперь представьте, что пламя этих свечей имеет разную яркость! Внезапно, некоторые оказываются чуть ярче или чуть тусклее; у вас есть два типа свечей, и более яркие могут оказаться ближе к вам, а более тусклые – дальше.

Именно это мы, возможно, и открыли среди сверхновых: существует два разных класса, и один немного ярче в синем/ультрафиолетовом диапазоне, а другой ярче в красном/инфракрасном, и их световые кривые отличаются. Это может означать, что на красных смещениях (больших расстояниях) сами сверхновые просто тусклее, а не находятся дальше от нас.

Иными словами, наш вывод об ускорении расширения Вселенной может быть основан на неправильной интерпретации данных!



Если мы неправильно померили расстояния до этих сверхновых, может мы и насчёт тёмной энергии ошиблись! По крайней мере, по этому поводу мы бы сильно волновались. Мы волновались бы не так сильно, если бы тёмная энергия никуда не делась, но её было бы меньше, чем считалось ранее.

Так какие из этих поводов для волнений реальны? Оказывается, только повод для не сильного волнения. В 1998-м в пользу тёмной энергии говорили только данные по сверхновым. С течением времени мы собрали ещё два настолько же сильных и независимых доказательства.




1) Космическое микроволновое фоновое излучение. Флюктуации в остаточном от Большого взрыва свечении – измеренные проектом WMAP, а затем с большей точностью и проектом Plank – явно свидетельствуют, что во Вселенной содержится 5% нормальной материи, 27% тёмной материи и 68% тёмной энергии. И хотя микроволновое излучение само по себе не говорит о свойствах тёмной энергии, она говорит, что 2/3 энергии Вселенной находится в таком виде, который не комкуется и не принадлежит к массе.

Некоторое время это было проблемой, поскольку сами сверхновые говорили о том, что тёмная энергия составляет 3/4 от Вселенной, поэтому, возможно, новые открытия по сверхновым помогут нам лучше выстроить данные.



2) Способ, которым галактики собираются в скопления. В ранней Вселенной тёмная материя и нормальная материя – и то, как они взаимодействуют, или не взаимодействуют, с излучением – управляли тем, как галактики собрались к нынешнему моменту в скопления. Если вы посмотрите на какую-нибудь галактику во Вселенной, то обнаружите у неё странное свойство: другая галактика с большей вероятностью будет находиться на расстоянии 500 миллионов световых лет от неё, и с меньшей – на расстоянии 400 или 600 миллионов лет. Этот феномен известен как барионные акустические осцилляции [Baryon Acoustic Oscillations, BAO], и связан с тем, что нормальная материя испытывает давление излучения, а тёмная материя – не испытывает.

Штука в том, что Вселенная расширяется из-за всего, что в ней присутствует, включая тёмную энергию. Поэтому с расширением Вселенной это предпочтительное расстояние в 500 миллионов световых лет меняется. Вместо «стандартных свечек» BAO позволяет нам использовать «стандартную линейку», которую также можно использовать для измерения тёмной энергии.



Оказывается, что измерения, сделанные через BAO, получаются не хуже измерений, сделанных по сверхновым, и дают те же результаты: Вселенная состоит на 70% из тёмной энергии, и соответствует наличию космологической константы, а не стенам доменов, космическим струнам или другим экзотическим теориям.

Если мы скомбинируем все три набора данных, то обнаружим, что они дают нам примерно схожую картину.



Что мы узнали, так это что количество тёмной энергии и её тип, выводимый нами из сверхновых, может немного измениться, и это, возможно, даже поможет нам привести три указанных метода – сверхновые, КМФИ и BAO – в наилучшее соответствие. Это один из тех великих моментов науки, когда одно неправильное предположение не заставляет нас выбрасывать все результаты и выводы, но помогает более точно понять явление, которое повергало нас в недоумение с момента его обнаружения.

Тёмная энергия существует, и благодаря новому открытию, мы можем даже понять её – и её действие на Вселенную – лучше, чем ранее. Спасибо читателю за возможность поговорить о таком интересном открытии. Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.
Поделиться публикацией
Комментарии 40
    0
    предложение статьи про антиматерию.
    некоторые простые вопросы.
    Есть ли способ удалённо определить что тело сделано из антивещеста например по спектру?
    ведь анти света (фотонов) нет и лампочка из антиматерии будет светить также как из обычной?
    Просто интересно смогут ли ученые удерживать макроскописеские её количества например 0,01 гр анти железа в магнитном поле?
    И будет ли работать например электронные часы на батарейке если сделать инверсию и заменить все вещество в них на антивещество?
    А устройства работающие от сети будут ли работать от нашего переменного тока ведь анти тока нет?
      0
      Анти-ток еще как есть, в антиматерии это будет ток из позитронов. Поэтому контактная передача электричества невозможна, провода аннигилируются.
      Другое дело что электромагнитные волны единые, и поэтому сигнал излученный передатчиком из материи, конечно будет принят приемником из антиматерии.
        0
        Прямого способа, отличить по свету, нет. Но есть косвенные. Если бы во всленной образовывались бы крупные количества антиматерии, то пыль и газ, оставшиеся бы от формирования более массивных тел уже успела бы расшириться и добраться до пыли и газа объектов обычной материи. Мы бы видели следы массовой аннигиляции.
          0
          При аннигиляции будет выделятся энергия, которая отбросит облака назад и процесс остановится.
          Из забавных парадоксов, можно подумать над аннигиляцией черных дыр, двух нейтронных звезд.
            0
            Чтобы отбросить газ давлением света его должно быть много. Мы бы замечали.
              +1
              В чёрных дырах антивещество от обычного не отличается, сохраняется только 3 внешних параметра — масса, заряд, момент вращения. Аннигиляцию внутри в принципе невозможно заметить (энергия, и следовательно масса, сохраняется).

              Скорее всего все более-менее масштабные аннигиляции произошли вскоре после Большого Взрыва, и сейчас ничего того, что можно было бы объяснить такой аннигиляцией не происходит — излучение было бы характерным, с фотонами определенной энергии.
            0
            И будет ли работать например электронные часы на батарейке если сделать инверсию и заменить все вещество в них на антивещество?

            с батарейкой из антивещества — будут
            А устройства работающие от сети будут ли работать от нашего переменного тока ведь анти тока нет?

            Если вам удастся сперва ответить себе на вопрос, как вы собираетесь подключать устройства из антивещества к вашей комнатной розетке, то уж заставить их питаться от нее точно не составит труда.
              0
              С инверсией могут возникнуть неожиданные сложности.
              Например если в устройствеесть механические части, которые должны вращаться в конкретном направлении, то при замене материи на антиматерию может получиться что вращение будет в другом направлении, что не предусмотрено механически.
              Далее, химические реакции в батарейках, работа полупроводников, все это так сходу и не скажешь как именно инвертируется, т.е. в какую сторону будут течь анти-токи и в какую сторону будет проводимость у диодов. Наверняка найдется что-то, что окажется «не в ту сторону»…
              0
              Есть ли способ удалённо определить что тело сделано из антивещеста например по спектру?

              По свету — нет. Но, по идее, звёзды из антивещества должны испускать антинейтрино вместо нейтрино. К сожалению, нейтрино может превратиться в антинейтрино из-за нейтринных осцилляций, если долго летит, так что с этим тоже плохо.
                0
                Нейтрино в антинейтрино не могут. По крайней мере никаких экспериментальных свидетельств этому нет. При осцилляциях электронное, например, нейтрино с определенной вероятностью, зависящей от энергии и расстояния от точки рождения, могут быть зарегистрированы/провзаимодействовать как мюонное или тау-нейтрино, но не антинейтрино. Антинейтрино, соответственно, в другой тип антинейтрино, но не нейтрино.
                  0
                  Ну, значит, нейтринный телескоп теоретически может отличить антизвезду от нормальной.
                  На вики прочитал про осцилляции нейтрино-антинейтрино, а там не уточнили, что это только теоретическое предположение.
              +1
              Но свет не распространется по прямой, на него по всему пути как минимум воздействует гравитация. Получается правило свечи неправильно на корню? Особенно для уделенных объектов.
                0

                Если мы видим неискаженное изображение объекта, то скорее всего, свет распространялся по крайней мере по близкой к прямой линии.

                  0
                  Такой тогда вопрос, какую часть энергии потеряет фотон при выходе с орбиты звезды/галактики?
                    0
                    Дисторсия в космосе практически всегда больше углового размера, по причине больших растояний. И в большинстве случаев её попросту не заметно. Но на пройденное светом растояние она повлияет существенно — нарисуйте круг и проведите линию от двух точек. Сравните разницу дуги и прямой линии.

                    Тогда когда гравитационная дисторсия меньше или близка к угловому размеру получается гравитационное линзирование.
                  0
                  от слияния с другим белым карликом ®

                  Я понимаю, откуда возник этот знак, но всё равно получилось забавно.
                    0
                    Возник такой вопрос: если скорость удаления от нас некоторой звезды (в следствии ускоренного расширения вселенной) в какой-то момент превысит скорость света, то мы перестанем видеть эту звезду? Но звезда исчезнет с нашего небосвода через время, равное световому расстоянию до звезды?
                      0
                      Если я все правильно понимаю, звезда с небосвода не исчезнет, просто мы будем видеть «фото». То есть если мы создадим супертелескоп, который показывает происходящее на планете за миллиард световых, то мы будем видеть то что происходило миллиард лет назад, потом время для нас на планете будет замедляться и замедляться (на самом деле просто фотоны будут доходить все медленнее), а потом вообще время остановиться и мы очень долго будем видеть одну и ту же все тускнеющую картинку одного мгновения на этой планете.
                        0
                        А можно объяснить это явление? Что-то мне кажется оно невероятным.
                          0
                          «Трудно поверить, что мы можем видеть галактики, движущиеся быстрее скорости света, однако это возможно из-за изменения скорости расширения. Вообразите луч света, идущий к нам с расстояния большего, чем расстояние Хаббла (14 млрд. световых лет). Он движется к нам со скоростью света относительно своего местоположения, но само оно удаляется от нас быстрее скорости света. Хотя свет устремляется к нам с максимально возможной скоростью, он не может угнаться за расширением пространства. Это напоминает ребенка, пытающегося бежать в обратную сторону по эскалатору. Фотоны на хаббловском расстоянии перемещаются с максимальной скоростью, чтобы оставаться на прежнем месте.

                          Можно подумать, что свет из областей, удаленных дальше расстояния Хаббла, никогда не сможет дойти до нас и мы его никогда не увидим. Но расстояние Хаббла не остается неизменным, поскольку постоянная Хаббла, от которой оно зависит, меняется со временем. Эта величина пропорциональна скорости разбегания двух галактик, деленной на расстояние между ними. (Для вычисления можно использовать любые две галактики.) В моделях Вселенной, согласующихся с астрономическими наблюдениями, знаменатель увеличивается быстрее числителя, поэтому постоянная Хаббла уменьшается. Следовательно, расстояние Хаббла растет. А раз так, свет, который первоначально не достигал нас, может со временем оказаться в пределах хаббловского расстояния. Тогда фотоны окажутся в области, удаляющейся медленнее скорости света, после чего они смогут добраться до нас.»

                          http://modcos.com/articles.php?id=99
                            +1
                            Я вообще не о том. А о том, как вы хотели разглядывать планету, которая удаляется от нас со скоростью света. Время на ней относительно нас не идет вообще. Так что и фотоны она посылать не будет совсем. Можно сказать иначе. Красное смещение увеличит длину волны до бесконечности и волна исчезнет. А вы говорите о каком-то «фото».
                          0
                          К моменту «остановки времени» у света будет уже бесконечное красное смещение — т.е. фотоны потеряют всю энергию по пути до нас. Поэтому мы их не сможет зарегистрировать независимо от того насколько хороши будут телескопы. Т.е. ответ на предыдущий вопрос — да, перестанем видеть.
                          Но произойдет это естественно не в сам момент когда скорость удаления звезды от нас превысила скорость света, а когда свет излученный в этот момент дойдет до нас.
                        0
                        Свет, находящийся «в пути», по идее должен составлять большую часть энергии вселенной.(интересно, сколько в процентах?)
                        Его в расчётах гравитационных взаимодействий скорее всего не учитывают, так-как масса света равна нулю… Зато учитывают абстрактную тёмную материю…
                        Может здесь быть какая-то связь?
                          0
                          Масса покоя равна нулю, а «в пути» свет вполне себе имеет массу.
                            0
                            1. Масса равна нулю, а энергия и импульс НЕ равны нулю. А для гравитационных взаимодействий учитывают и то и другое. Тем более они эквивалентны. В полных моделях в т.ч. учитывают и энергию фотонов, т.е. света, радиоволн, гамма излучения и т.д.
                            2. На энергию фотонов приходится совсем небольшая часть — доли процента от вклада обычной материи, не говоря уже от полной плотности вселенной (с темной материей и энергией). Поэтому в некоторых рассчетах его не учитывают/не указывают, т.к. их вклад меньше чем погрешности измерения остальных компонентов.
                            0
                            «Энергия не комкуется.» Очень круто подобрали слово. Спасибо за ваши переводы.
                              –1
                              Нет, волноваться стоит и очень сильно.
                              Беда в том, что все красивые графики по реликтовому фону строятся в доверительном интервале +-\sigma.
                              Если же взять честно построить по 3\sigma, то там вполне пролезает полностью пустая Вселенная (еще раз вообще без Всего).

                              А данные по BAO по-хорошему надо отнести на туже полку, где стоит плохая научная фантастика: существует тыща и одна модель темной материи и пока ни одна не проверена.
                                0
                                Так было же недавно предложение того, как вообще отказаться от тёмной энергии. Боюсь только, что она кормит сейчас стольких людей, что это предложение даже проверять не станут.
                                  0
                                  Во всех теориях цикличной Вселенной есть одна Большая проблема — второй закон термодинамики. Энтропия должна увеличиваться, а значит получить исходное горячее состояние, которое следует из существования и эволюции реликтового фона уже не получится.
                                    0
                                    А что, во всех утверждается, что после Биг Кранча вселенная возвращается точно в исходное состояние?
                                    Ну и в целом, что негэнтропия, что антигравитация — всё магия. Чем одно другого лучше?
                                      0
                                      А я говорил, что что-то лучше?
                                      +1
                                      Второй закон — на самом деле не закон, а введённая на основании наблюдений аксиома.
                                      И внезапно может выясниться что энтропия вселенной — константа.
                                        0
                                        Да со всеми законами примерно такая же история, хоть принцип относительности взять, хоть закон сохранения энергии. Только вот для многих лучше ввести волшебное нейтрино вместо отказа от закона сохранения энергии, волшебную тёмную материю вместо отказа от закона гравитации и волшебную тёмную энергию вместо отказа от Второго начала.
                                          0
                                          А чем вам не нравится нейтрино?
                                            0
                                            Сейчас-то с ними всё хорошо, а вот в начале 1930-х это был такой экзотический необнаружимый вид энергии. Вот просто — чтобы энергия и момент импульса при бета-распаде сохранялись, должны быть незаряженные безмассовые частицы со спином 1/2. Ни одним детектором при этом видно их не было. Даже самому Паули, предложившему идею, она не очень-то нравилась, но предположить несохранение энергии было ещё хуже.
                                          0
                                          Если внезапно выяснится, что энтропия Вселенной константа, то о темной энергии волноваться уже не надо будет. Под нож пойдут все без исключения космологические модели, в том числе и «Вселенная Фридмана».
                                    0
                                    >Жуан Карлос

                                    В испанском «J» читается как русское «Х», поэтому Хуан – https://ru.wikipedia.org/wiki/Хуан_(имя).
                                      0
                                      Кстати, не обязательно темная материя. Ник Горькавый, астроном (в миру более известен как автор «Астровитянки»), в соавторстве с Александром Васильковым опубликовал статью, объясняющую закон Хаббла в рамках Эйнштейновской теории гравитации, без введения ненаблюдаемых темных материй и энергий. Вкратце — галактики расталкивает то самое гравитационное излучение, обнаруженное LIGO.

                                      Подробнее у него в жж: http://don-beaver.livejournal.com/173482.html
                                      Там же есть и критика, и ответы на неё.
                                        0
                                        Большое спасибо за ссылку, а то у меня статья потерялась!
                                        0
                                        Надо будет найти что-нибудь про барионные осцилляции. В статье-оригинале, увы, иногда не хватает подробностей, ссылок и «человеческих» подписей к некоторым графикам…
                                        Спасибо за перевод.

                                        Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                        Самое читаемое