Вселенная не расширяется

Расширение Вселенной

Космология

Изучаемые объекты и процессы

  • Вселенная
  • Наблюдаемая Вселенная
  • Крупномасштабная структура Вселенной
    • Сверхскопления галактик
    • Галактические нити
    • Войды
    • Пузырь Хаббла
  • Реликтовое излучение
  • Скрытая масса
    • Тёмная материя
    • Тёмная энергия

История Вселенной

  • Основные этапы развития Вселенной
  • Возраст Вселенной
  • Формирование галактик

Наблюдаемые процессы

  • Расширение Вселенной
    • Космологическое красное смещение
    • Закон Хаббла
    • Ускоренное расширение Вселенной
  • Нуклеосинтез

Теоретические изыскания

  • Гравитационная неустойчивость
  • Космологический принцип
  • Космологические модели
    • Космологическая сингулярность
    • Большой взрыв
    • Модель де Ситтера
    • Модель горячей Вселенной
    • Космическая инфляция
    • Вселенная Фридмана
      • Уравнение Фридмана
      • Сопутствующее расстояние
      • Модель Лямбда-CDM
      • Космологическое уравнение состояния
      • Критическая плотность

Расширение Вселенной — явление, состоящее в почти однородном и изотропном расширении космического пространства в масштабах всей Вселенной, выводимое через наблюдаемое с Земли космологическое красное смещение.

Экспериментально расширение Вселенной подтверждается выполнением закона Хаббла, а также уменьшением светимости экстремально удалённых «стандартных свеч» (сверхновых типа Ia). Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется из начального сверхплотного и сверхгорячего состояния. Является ли это исходное состояние сингулярным (как предсказывает классическая теория гравитации — общая теория относительности) или нет — активно дебатируемый вопрос, разрешить который надеются разработкой квантовой теории гравитации.

Теоретически явление было предсказано и обосновано А. Фридманом на раннем этапе разработки общей теорией относительности из общефилософских соображений об однородности и изотропности Вселенной.

Стадия Эволюция a ( η ) {\displaystyle a(\eta )} Параметр Хаббла
Инфляционная a ∝ e H t {\displaystyle a\propto e^{Ht}} H 2 = 8 π 3 ρ v a c M p l 2 {\displaystyle H^{2}={\frac {8\pi }{3}}{\frac {\rho _{vac}}{M_{pl}^{2}}}}
Радиационное доминирование a ∝ t 1 2 {\displaystyle a\propto t^{\frac {1}{2}}} H = 1 2 t {\displaystyle H={\frac {1}{2t}}}
Пылевая стадия a ∝ t 2 3 {\displaystyle a\propto t^{\frac {2}{3}}} H = 2 3 t {\displaystyle H={\frac {2}{3t}}}
Λ {\displaystyle \Lambda } -доминирование a ∝ e H t {\displaystyle a\propto e^{Ht}} H 2 = 8 π 3 G ρ Λ {\displaystyle H^{2}={\frac {8\pi }{3}}G\rho _{\Lambda }}
Космологические параметры по данным WMAP и Planck
WMAP Planck
Возраст Вселенной t0, млрд лет 13,75±0,13 13.81±0.06
H0, (км/с)/Мпк 71,0±2,5 67,4±1,4
Плотность барионной материи Ωbh2 0,0226±0.0006 0,0221 ± 0,0003
Плотность тёмной материи Ωсh2 0,111 ± 0,006 0,120 ± 0,003
Общая плотность Ωt 1,08+0,09
-0.07
1,0 ±0,02
Плотность барионной материи Ωb 0,045±0,003
Плотность тёмной энергии ΩΛ 0,73±0,03 0,69±0,02
Плотность тёмной материи Ωc 0,22±0,03

Ускорение расширения Вселенной

Основная статья: Ускоряющаяся Вселенная См. также: Тёмная энергия

В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла (за это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шоу по астрономии за 2006 год, Нобелевскую премию по физике за 2011 год и Премию по фундаментальной физике Юрия Мильнера в 2015 году). Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва. Все полученные данные хорошо вписываются в лямбда-CDM модель.

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было найдено, что во Вселенной существует ранее неизвестная энергия с отрицательным давлением (см. уравнения состояния). Её назвали «тёмной энергией».

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

Последствия для судьбы Вселенной

Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривлённого пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и в принципе достижимы путём космических полётов, в то время как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием материи.

Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что фантомная энергия приведёт к т. н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила действия тёмной энергии продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом разрыве.

С другой стороны, тёмная энергия может со временем рассеяться или даже сменить отталкивающее действие на притягивающее. В этом случае гравитация возобладает и приведёт Вселенную к «Большому хлопку». Некоторые сценарии предполагают «циклическую модель» Вселенной. Хотя эти гипотезы пока не подтверждаются наблюдениями, они и не отвергаются полностью. Решающую роль в установлении конечной судьбы Вселенной (развивающейся по теории Большого взрыва) должны сыграть точные измерения темпа ускорения.

> См. также

  • Теория стационарной Вселенной
  • Научная картина мира

> Примечания

Ученые измерили скорость расширения Вселенной

Она равна 73.8 км/сек./мегапарсек. Итак, что значит это число?

В 1998 году, ученые открыли, что Вселенная не только расширяется, но делает это со все более увеличивающейся скоростью. Используя для вычислений яркость определенного типа звезд и сверхновых звезд, они смогли рассчитать точное значение ускорения Вселенное, которое происходит по мере ее роста. Естественно, это происходит очень и очень быстро. Представляем вашему вниманию краткое пояснение их открытия.

Так с какой скоростью расширяется Вселенная?

Вселенная расширяется со скоростью в 73.8 километров в секунду на каждые 3.26 миллионов световых лет, плюс-минус 2.4 километров, согласно исследованию, опубликованному в Astrophysical Journal.

Как это расшифровать?

Расширение пространства означает, что галактики удаляются от нас. Чем дальше они уходят, тем быстрей двигаются. Согласно этому уравнению, галактика, которая находится на расстоянии в 3.26 миллионов световых лет от нас — или на расстоянии в один мегапарсек — удаляется со скоростью в 73.8 километров в секунду. Галактика, на расстоянии в два мегапарсека, удаляется в два раза быстрее и так далее.

О чем это говорит нам?

«Это еще одно доказательство того, что Вселенная расширяется», — сказал Фил Плейт из журнала Discover. Некоторые теоретизировали, что наблюдаемые нами свидетельства расширения – всего лишь иллюзия, вызванная расположением нашей галактики в гигантской пустоте. Но беспрецедентная точность данных измерений, позволила отбросить так называемую «теорию пустоты». Теперь все силы можно направить на изучение того, что заставляет Вселенную расширяться.

Что думают ученые о расширении Вселенной?

Темная энергия. Такое название ученые дали той таинственной силе, которая заставляет Вселенную расширятся, вместо того, чтобы сжиматься под действием гравитационного притяжения. Понять эту «неизведанную и неуловимую силу отталкивания» — заветная цель астрофизиков.

Оригинал (на англ. языке): Theweek

Куда расширяется Вселенная, если она и так бесконечна?

То, что Вселенная расширяется — не более чем теория. Одна из многих. Но почему-то в курсе астрономии продвигают именно ее. На самом деле физики не знают, что именно происходит со Вселенной. Есть много фактов, которые в теорию о расширении Вселенной не увязываются. Например, не все галактики от нас удаляются. Есть такие, которые приближаются, и даже с очень большой скоростью! И как это явление можно объяснить с помощью надуваемого пузыря? И как можно объяснить феномен столкновения галактик?

Есть мнения, что удаление от нас галактик — не более чем иллюзия.

Так как Вселенная по определению — это все сущее, что есть на свете, она включает в себя все предметы и все существующее пространство. Куда же она может расширяться, если пространства вне ее просто не существует? Есть предположение, что измерений гораздо больше, чем три, и вот в них-то и расширяется Вселенная. Но разве Вселенная не должна включать в себя также и все имеющиеся измерения?

Да и как можно судить о сущности процесса, находясь внутри него и наблюдая лишь мизерную его часть?

Мое мнение — школьников нужно знакомить не с одной, а с несколькими теориями и подчеркивать, что пока ни одна из них не нашла подтверждения.

Ускоряющаяся Вселенная

Основная статья: Расширение Вселенной

Космология

Изучаемые объекты и процессы

  • Вселенная
  • Наблюдаемая Вселенная
  • Крупномасштабная структура Вселенной
    • Сверхскопления галактик
    • Галактические нити
    • Войды
    • Пузырь Хаббла
  • Реликтовое излучение
  • Скрытая масса
    • Тёмная материя
    • Тёмная энергия

История Вселенной

  • Основные этапы развития Вселенной
  • Возраст Вселенной
  • Формирование галактик

Наблюдаемые процессы

  • Расширение Вселенной
    • Космологическое красное смещение
    • Закон Хаббла
    • Ускоренное расширение Вселенной
  • Нуклеосинтез

Теоретические изыскания

  • Гравитационная неустойчивость
  • Космологический принцип
  • Космологические модели
    • Космологическая сингулярность
    • Большой взрыв
    • Модель де Ситтера
    • Модель горячей Вселенной
    • Космическая инфляция
    • Вселенная Фридмана
      • Уравнение Фридмана
      • Сопутствующее расстояние
      • Модель Лямбда-CDM
      • Космологическое уравнение состояния
      • Критическая плотность

Ускорение расширения Вселенной — обнаруженное в конце 1990-х годов уменьшение светимости экстремально удалённых «стандартных свечей» (сверхновых типа Ia), интерпретированное как ускорение расширения Вселенной. Расстояния до других галактик определяются измерением их красного смещения. По закону Хаббла, величина красного смещения света удалённых галактик прямо пропорциональна расстоянию до этих галактик. Соотношение между расстоянием и величиной красного смещения называется параметром Хаббла (или, не совсем точно, постоянной Хаббла).

Однако, само значение параметра Хаббла требуется сначала каким-нибудь способом установить, а для этого нужно измерить значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже вычислены другими методами. Для этого в астрономии применяются «стандартные свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом «стандартной свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звёзды типа Ia. Они обладают очень высокой яркостью и вспыхивают только тогда, когда масса старой звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с высокой точностью. Следовательно, все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую яркость; при этом желательно делать поправки на вращение и состав исходной звезды. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.

Открытие

В 1998 году, при наблюдениях сверхновых типа Ia, было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свечей» (сверхновых Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.

За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Рисс получили премию Шао по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год.
Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования, нуклеосинтеза Большого Взрыва. Все полученные данные хорошо вписываются в лямбда-CDM модель.

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

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

Представление об ускоренном расширении Вселенной влечёт ряд нетривиальных следствий, касающихся характера её эволюции. В частности, при некоторых не слишком ограничительных предположениях доказана принципиальная невозможность достижения в ускоренно расширяющейся Вселенной термодинамического равновесия.

Совершенно другой вид мира будет иметь место, если отказаться от гипотезы Большого взрыва, а руководствоваться космологией черной дыры. Тогда ускорение будет естественным падением в бесконечно расширяющееся пространство внутри черной дыры. Реликтовое излучение появляется в какой то момент после прохождение сферы Шварцшильда, и вообще всё что раньше отсчитывалось от момента Большого взрыва, надо отсчитывать от этого момента. Разница принципиальная в том, что в системе отсчета, которая падает в черную дыру имеет место и история до этого момента.

> См. также

  • Пузырь Хаббла
  • Модель Лямбда-CDM