У нас есть два способа измерения скорости расширения вселенной. Здесь тот, что посложнее.
Если вы хотите понять, откуда появилась наша Вселенная и куда она движется, вам нужно измерить, как она расширяется. Если все удаляется от всего остального, мы можем экстраполировать в любом направлении, чтобы выяснить как наше прошлое, так и наше будущее. Вернитесь назад, и все станет плотнее, горячее и менее комковатым. Если вы знаете скорость расширения и то, что находится в вашей Вселенной сейчас, вы можете вернуться к Большому взрыву. Точно так же, если вы знаете скорость расширения сейчас и как она меняется с течением времени, вы можете пройти весь путь до тепловой смерти Вселенной. Но одна из самых больших загадок космологии заключается в том, что у нас есть два совершенно разных метода измерения скорости расширения Вселенной, и их результаты не совпадают. Как мы вообще можем получить эти скорости? Это то, что хочет знать Линдси Форбс, спрашивая:
«Космический микроволновый фон (CMB) - очень важная часть модели Большого взрыва. Как они рассчитывают H0 по реликтовому излучению? Я получаю группу [сверхновых]. Я вижу, как недавние измерения параллакса подтверждают их наблюдения. Я просто не могу понять, как [другая] группа переходит от этих маленьких точек на карте CMB к тому, что мы видим сейчас в небе ».
Это очень глубокий вопрос, и он заслуживает хорошего ответа. Давайте углубимся в детали и выясним.
Визуальная история расширяющейся Вселенной включает горячее, плотное состояние, известное как Большой взрыв, и последующее расширение и формирование структуры. Полный набор данных, включая наблюдения за легкими элементами и космическим микроволновым фоном, оставляет только Большой взрыв в качестве действительного объяснения всего, что мы видим. По мере расширения Вселенная также охлаждается, что позволяет формировать ионы, нейтральные атомы и, в конечном итоге, молекулы, газовые облака, звезды и, наконец, галактики. (NASA / CXC / M. WEISS)
Мы можем провести всевозможные измерения Вселенной, которые раскрывают ее свойства. Если мы хотим знать, как быстро расширяется Вселенная, все, что вам нужно, - это правильная картинка в вашей голове. Вселенная начинается очень горячей, плотной и однородной. С возрастом она расширяется, при расширении он становится:
- более холодный (потому что излучение в ней растягивается по длине волны, сдвигая его в сторону более низких энергий и температур);
- менее плотной (потому что количество частиц в ней остается постоянным, но объем увеличивается);
- и более комковатая (потому что гравитация втягивает больше материи в более плотные области, предпочтительно уводя ее из менее плотных областей).
По мере того, как все это происходит, скорость расширения также меняется, со временем уменьшаясь. Есть много разных способов измерить скорость расширения Вселенной, но все они делятся на две категории: то, что я называю методом «distance ladder», и то, что я называю методом «early relic».
Построение космической лестницы расстояний предполагает переход от нашей Солнечной системы к звездам, к ближайшим галактикам, к дальним. Каждый «шаг» несет в себе свои собственные неопределенности, но со многими независимыми методами невозможно, чтобы какая-либо одна ступень, такая как параллакс, цефеиды или сверхновые звезды, могла вызвать все обнаруженное нами несоответствие. (NASA, ESA, A. FEILD (STSCI) И A. RIESS (STSCI / JHU))
Метод лестницы расстояний легче понять. Все, что вам нужно сделать, это использовать объекты, расстояние до которых вы понимаете, определив как их расстояние от вас, так и то, насколько свет от них смещается при расширении Вселенной. Сделайте это для достаточного количества объектов на разных расстояниях, в том числе на достаточно больших расстояниях, и вы увидите, как быстро расширяется Вселенная с очень небольшими ошибками и неопределенностями.
На данный момент есть много разных способов сделать это. Вы можете измерять расстояние до отдельных звезд напрямую, просто измеряя расстояние до них в течение года. Когда Земля движется вокруг Солнца, этого крошечного изменения расстояния достаточно, чтобы показать, на сколько смещаются звезды, точно так же, как ваш большой палец перемещается относительно фона, если вы закроете один глаз, а затем поменяете глаза.
Как только вы узнаете, как далеко находятся эти типы звезд - цефеиды, RR Лиры, определенные типы звезд-гигантов и т. д., вы можете искать их в далеких галактиках. Поскольку вы знаете, как работают эти звезды, вы можете определить расстояния до них и, следовательно, расстояния до этих галактик.
Затем вы можете измерить свойства этих галактик или объектов внутри этих галактик: свойства вращения, дисперсию скоростей, флуктуации поверхностной яркости, отдельные события, такие как сверхновые звезды типа Ia и т. д. Если вы можете измерить свойства, которые ищете, вы можете построить космическую лестницу расстояний, определяющую, как Вселенная расширилась между моментом, когда свет был испущен от ваших далеких объектов, и когда он достиг ваших глаз.
Детальный взгляд на Вселенную показывает, что она состоит из материи, а не антиматерии, что требуется темная материя и темная энергия, и что мы не знаем происхождения каких-либо из этих загадок. Однако флуктуации реликтового излучения, формирование и корреляции между крупномасштабной структурой и современные наблюдения гравитационного линзирования - все указывает на одну и ту же картину. (CHRIS BLAKE AND SAM MOORFIELD)
Методы раннего реликта, такие, как группа, более сложны в деталях, но не обязательно более сложны как концепция. Вместо того, чтобы начинать здесь, на Земле, и продвигаться дальше, все глубже и глубже в далекую Вселенную, мы начинаем с Большого взрыва и вычисляем некий начальный отпечаток в невероятно раннее время. Затем мы измеряем наблюдаемый сегодня сигнал, на который определенным образом влияет этот ранний отпечаток.
Что изменилось? Вселенная расширяется от Большого взрыва до наших дней. Когда мы измеряем этот отпечаток сегодня, мы можем узнать, как расширялась Вселенная с момента, когда эта ранний реликт был запечатлен, до момента сейчас, когда мы его измеряем. Два самых известных метода «раннего реликта» происходят из одного и того же источника: изначально сверхплотные и разреженные области, которые послужили зародышами для роста крупномасштабных структур во Вселенной. Они проявляются в крупномасштабных скоплениях галактик, которые мы наблюдаем во Вселенной позднего времени, а также в свечении, оставшемся от Большого взрыва: космическом микроволновом фоне или реликтовом излучении.
Квантовые флуктуации, возникающие во время инфляции, растягиваются по всей Вселенной, а когда инфляция заканчивается, они становятся флуктуациями плотности. Со временем это приводит к крупномасштабной структуре во Вселенной сегодня, а также к флуктуациям температуры, наблюдаемым в CMB. Подобные новые предсказания необходимы для определения происхождения и ранней истории нашей Вселенной. (E. SIEGEL, WITH IMAGES DERIVED FROM ESA/PLANCK AND THE DOE/NASA/ NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH)
На что надеялись почти все астрофизики и космологи - так это на то, что независимо от того, как мы собираемся измерить скорость расширения Вселенной, мы получим одинаковый ответ. В конце 1990-х - начале 2000-х мы думали, что наконец пришли к этому. Так называемый ключевой проект космического телескопа Хаббла, названный так потому, что его целью было измерение постоянной Хаббла, дал свои основные результаты: Вселенная расширялась со скоростью 72 км/с/Мпк с погрешностью около 10%. Но с 2001 года эти различные методы еще больше снизили эту неопределенность.
Вот почему сегодня в космологии существует такое противоречие: потому что в классе лестницы расстояний все измерения, похоже, сходятся на значении 73–74 км/с/Мпк, но в классе ранних реликтов все измерения сходятся к значению 67–68 км/с/Мпк. Неопределенности этих значений составляют около 1-2% каждая, но они отличаются друг от друга примерно на 9%. Если что-то в корне неверно с одним из этих классов измерений или есть какой-то тип физики, который мы не учитываем, эта загадка никуда не денется в ближайшее время.
Современные измерения напряженности с помощью лестницы расстояний (красный) с данными ранних реликтов из CMB и BAO (синий) показаны для контраста. Вполне вероятно, что метод раннего реликта верен и есть фундаментальный недостаток лестницы расстояний, также вполне вероятно, что есть небольшая ошибка, смещающая метод раннего реликта, и лестница расстояний верна, или что обе группы правы, и виновата какая-то новая физика (с некоторыми возможностями, показанными вверху). Но прямо сейчас мы не можем быть ни в чем уверены. (A. RIESS ET AL. (2019))
Если мы хотим понять, откуда взялось это значение CMB, вы должны понять, что такое CMB и о чем оно нам говорит. Ранняя Вселенная была горячей и плотной: настолько горячей и такой плотной, что в какой-то момент было невозможно образовать нейтральные атомы. Каждый раз, когда протон или любое атомное ядро сталкивается с электроном, электрон будет пытаться привязаться к нему, спускаясь по различным энергетическим уровням и испуская фотоны.
Но если ваша Вселенная слишком горячая, появятся фотоны, обладающие достаточной энергией, чтобы снова отбросить эти электроны. Только когда Вселенная имеет достаточно времени для расширения и охлаждения, и все фотоны в ней охладятся (в среднем) до температуры ниже определенной, вы можете сформировать эти нейтральные атомы. В этот момент, когда образуются нейтральные атомы, эти фотоны перестают отскакивать от свободных электронов - потому что свободных электронов больше нет, все они связаны в нейтральные атомы, и этот свет просто делает то, что он делает всегда: движется по прямой линии со скоростью света, пока не столкнется с чем-то.
Ионизированная плазма (L) перед испусканием реликтового излучения с последующим переходом в нейтральную Вселенную (R), прозрачную для фотонов. Затем этот свет свободно летит к нашим глазам, все время смещаясь в сторону все более длинных волн из-за расширения Вселенной. Наконец, он достигает наших детекторов в настоящее время, 13,8 миллиарда лет спустя. (AMANDA YOHO)
Конечно, большая часть этого света не попала никуда, потому что пространство в основном пусто. Когда мы сегодня смотрим на небо, мы видим этот оставшийся свет, хотя мы не видим его в точности таким, каким он был, когда он был испущен этими нейтральными атомами. Вместо этого мы видим его таким, какой он есть сегодня, после путешествия по расширяющейся Вселенной в течение примерно 13,8 миллиардов лет. Когда Вселенная впервые стала нейтральной, ее температура была около 3000 К; сегодня она остыла до 2,7255 К. Вместо того, чтобы достигать максимума в видимой части спектра или даже в инфракрасной части, свет сместился настолько сильно, что теперь появляется в микроволновой части спектра.
Эти 2,7255 К везде одинаковы: во всех направлениях, куда мы смотрим. По крайней мере, примерно одинаковы. Мы движемся через Вселенную относительно этого светового фона, в результате чего направление, в котором мы движемся, кажется более горячим, а направление, от которого мы движемся, - более холодным. Когда мы вычитаем этот эффект, мы обнаруживаем, что примерно на уровне 0,003% - разница температур всего в десятки или сотни микроградусов - есть температурные колебания: места, где бывает немного жарче или холоднее, чем в среднем.
По мере того, как возможности наших спутников улучшаются, они исследуют меньшие масштабы, большее количество частотных диапазонов и меньшую разницу температур в космическом микроволновом фоне. Температурные дефекты помогают нам понять, из чего состоит Вселенная и как она развивалась, создавая картину, которая требует, чтобы темная материя имела смысл. ((NASA/ESA AND THE COBE, WMAP AND PLANCK TEAMS; PLANCK 2018 RESULTS. VI. COSMOLOGICAL PARAMETERS; PLANCK COLLABORATION (2018)))
В этом суть большого вопроса: как получить скорость расширения на основе измерений температуры и температурных колебаний?
Честно говоря, это одно из величайших достижений теоретической и наблюдательной космологии вместе взятых. Если вы начнете со Вселенной с известным набором ингредиентов в самое раннее время - в начале горячего Большого взрыва, и вы знаете уравнения, которые управляют вашей Вселенной, вы можете рассчитать, как ваша Вселенная будет развиваться с этой ранней стадии до 380000 лет: время, когда Вселенная остынет до 3000 К и выпустит реликтовый фон.
Каждый набор ингредиентов, которые вы добавляете, будет иметь свой собственный уникальный CMB. Если вы подсчитаете, как Вселенная ведет себя только с нормальной материей и излучением, вы получите только половину тех характеристик флуктуаций, которые вы получили бы во Вселенной с темной материей. Если вы добавите слишком много нормального вещества, пики станут слишком высокими. Если вы добавляете пространственную кривизну, масштабы колебаний изменяются, становясь меньше или больше (в среднем) в зависимости от того, является ли кривизна положительной или отрицательной. И так далее.
Четыре разных космологии приводят к одним и тем же паттернам флуктуаций реликтового излучения, но независимая перекрестная проверка может независимо измерить точно один из этих параметров, нарушая вырождение. Измеряя один параметр независимо (например, H0), мы можем лучше ограничить фундаментальные свойства Вселенной, в которой мы живем. Однако даже с учетом того, что остается значительное пространство для маневра, возраст Вселенной не подлежит сомнению. (MELCHIORRI, A. & GRIFFITHS, L.M., 2001, NEWAR, 45, 321)
Что интересно в этом анализе, так это то, что есть определенные параметры, которые вы все можете изменять вместе - немного больше темной и нормальной материи, немного больше темной энергии, гораздо больше кривизны, более медленная скорость расширения и т.д. Все это даст те же модели колебаний. В физике мы называем это «вырождением», например, когда вы извлекаете квадратный корень из четырех, вы получаете несколько возможных ответов: +2 и -2.
Что ж, температурный спектр реликтового излучения по своей природе вырожден: существует несколько возможных космологий, которые могут воспроизводить модели, которые мы видим. Но помимо температурного спектра у реликтового излучения есть и другие компоненты. Есть поляризация. Существует перекрестный спектр температуры и поляризации. Существуют разные начальные наборы флуктуаций, с которых Вселенная могла бы начаться в разных моделях инфляции. Когда мы смотрим на все данные вместе, есть лишь небольшое подмножество моделей, которые могут выжить и успешно воспроизвести видимое нами реликтовое излучение. Несмотря на то, что они подробно описаны, ниже я включил то, что я бы назвал «денежным графиком».
На этом графике показано, какие значения постоянной Хаббла (слева, ось y) лучше всего соответствуют данным космического микроволнового фона от ACT, ACT + WMAP и Planck. Обратите внимание, что более высокая постоянная Хаббла допустима, но только за счет наличия Вселенной с большим количеством темной энергии и меньшим количеством темной материи, как показывают цветные точки данных для плотности материи. Это в значительной степени несовместимо с данными лестницы расстояний, обозначенной какSH0ES. (ACT COLLABORATION DATA RELEASE 4)
Как видите, диапазон возможных космологий, которые могут соответствовать реликтовому фону, довольно узок. Наилучшее значение для скорости расширения составляет 67–68 км/с/Мпк, что соответствует Вселенной с примерно 32% материи (5% нормальной материи и 27% темной материи) и 68% темной энергии. Если вы попытаетесь снизить скорость расширения, вам понадобится больше нормальной и темной материи, меньше темной энергии и небольшое количество положительной пространственной кривизны. Точно так же, если вы попытаетесь увеличить скорость расширения, вам понадобится меньше обычной материи и больше темной энергии и, возможно, немного отрицательной пространственной кривизны. На самом деле здесь очень мало места для маневра, особенно когда вы начинаете рассматривать другие независимые ограничения.
Например, содержание легких элементов точно говорит нам, сколько существует нормального вещества. Измерения скоплений галактик и крупномасштабной структуры говорят нам, сколько всего существует материи, нормальной и темной вместе взятых. И все различные ограничения, вместе взятые, говорят нам о возрасте Вселенной: 13,8 миллиарда лет с погрешностью всего ~ 1%. CMB - это не один набор данных, а множество, и все они указывают на одну и ту же картину. Все это непротиворечиво, но не рисует ту картину, которую рисует лестница космических расстояний. Пока мы не выясним, почему, это останется одной из самых больших загадок современной космологии.
Комментариев нет:
Отправить комментарий