Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu
 
Na saite
Astrometriya
Astronomicheskie instrumenty
Astronomicheskoe obrazovanie
Astrofizika
Istoriya astronomii
Kosmonavtika, issledovanie kosmosa
Lyubitel'skaya astronomiya
Planety i Solnechnaya sistema
Solnce

Razryv Vselennoi Razryv Vselennoi
14.03.2003 18:57 | M. E. Prohorov/GAISh, Moskva

Ili snova o "prizrachnoi energii i kosmicheskom sudnom dne".

Stat'ya Kaldvella, Kamionkovskogo i Veinberga "Prizrachnaya energiya i kosmicheskii sudnyi den'" (astro-ph/0302506), kotoroi posvyasheny zametka Sergeya Popova i odin iz poslednih APOD'ov, vyzvala volnu interesa v presse (sm. zdes' ili zdes'). [V poslednee vremya aktivnaya reklama lyubyh svoih rezul'tatov stanovitsya "horoshei" tradiciei anglosaksonskogo nauchnogo soobshestva.] Poetomu ya poschital neobhodimym napisat' bolee razvernutuyu zametku. To, chto privedeno nizhe - dostatochno podrobnyi pereskaz upomyanutoi vyshe stat'i.


Nablyudeniya dalekih sverhnovyh i fluktuacii reliktovogo izlucheniya s pomosh'yu nazemnyh i ballonnyh eksperimentov, a v osobennosti poslednie dannye eksperimenta WMAP pokazali, chto nasha Vselennaya rasshiryaetsya uskorenno. Etot fakt mozhno soglasovat' s teoriei, esli predpolozhit', chto Vselennaya v osnovnom zapolnena veshestvom s otricatel'nym davleniem - tak nazyvaemoi temnoi energiei.

Formal'no temnuyu energiyu mozhno opisat' kak veshestvo s uravneniem sostoyaniya, opisyvaemym odnim parametrom w - $w\equiv P/\rho$ ("kvintessenciya"), prichem eto otnoshenie schitaetsya postoyannym (v ramkah rassmatrivaemyh nami predskazanii "budushego" Vselennoi - strogo postoyannym, a dlya togo, chtoby vvedenie temnoi energii imelo smysl - postoyannym na dostatochno dlitel'nyh intervalah vremeni). Podobnoe uravnenie sostoyaniya pri opredelennyh znacheniyah w nam horosho izvestno: w=1/3 - eto izluchenie, w=0 - pyl', sreda bez davleniya, w=-1 - vvedennyi eshe samimi Einshteinom kovariantnyi $\Lambda$-chlen. Dlya togo, chtoby rasshirenie Vselennoi, zapolnennoi (preimushestvenno) podobnym veshestvom, uskoryalos', dolzhno vypolnyat'sya uslovie w<-1/3.

Obychno rassmotrenie ogranichivayut intervalom -1<w<-1/3. Eto ogranichenie svyazyvayut s tem, chto iz strogogo vypolneniya opredeleniya w (kak dlya ravnovesnogo sostoyaniya, tak i dlya malyh vozmushenii) formal'no vytekaet, chto skorost' rasprostraneniya malyh vozmushenii (zvuka) v kvintessencii pri w<-1 prevyshaet skorost' sveta c, chto narushaet princip prichinnosti. Odnako uzhe predlozheny neskol'ko variantov skalyarnyh polei, v kotoryh pri vypolnenii usloviya w<-1 vozmusheniya rasprostranyayutsya s subsvetovymi skorostyami. Osnovnoe vozrazhenie - narushenie prichinnosti - v takih modelyah ustraneno, i teper' my mozhem zadat' sakramental'nyi vopros:

Chto zhe proishodit za granicei w<-1?

Dlya etoi oblasti temnyh energii dazhe priduman special'nyi termin - prizrachnaya energiya. V etoi oblasti narushaetsya slaboe uslovie energodominantnosti ($P+\rho<0$, sm. naprimer astro-ph/0302067). Takoe zhe narushenie energodominantnosti trebuetsya dlya sushestvovaniya "krotovyh nor", iz kotoryh mozhno sozdat' mashinu vremeni. No v kosmologii narushenie etogo usloviya privodit k sovsem drugim sledstviyam, kotorye sostavlyayut osnovnye vyvody dannoi stat'i, i imenno oni vyzvali interes pressy.

 
Ris. 1. Sovremennye nablyudatel'nye ogranicheniya dlya kosmologicheskih parametrov, pokazannye na ploskosti $\Omega_m$--$w$. Sploshnye krasnye krivye soedinyayut tochki ravnyh vozrastov Vselennoi (12 i 14 mlrd. let). Parametry v zakrashennyh oblastyah dopustimy po nablyudeniyam skoplenii galaktik i sverhnovyh. Yarko oranzhevym i zheltym cvetami pokazany oblasti ih peresecheniya. Chernye sploshnye linii pokazyvayut dopolnitel'nye ogranicheniya, vytekayushie iz nablyudenii gravitacionnogo linzirovaniya kvazarov (krivaya) i iz polozheniya pervogo akusticheskogo pika v spektre moshnosti anizotropii reliktovogo izlucheniya (pryamye linii, otmechennye chislami 218 i 222). Na levom risunke pokazana diagramma, ogranichennaya usloviem w>-1, kak ee obychno i izobrazhayut. Sprava - ta zhe diagramma, prodolzhennaya v oblast' fantomnyh energii. Vidno, chto est' oblast' parametrov s w<-1, udovletvoryayushaya nablyudeniyam. Shtrih-punktirnye linii na pravom risunke sootvetstvuyut odinakovym znacheniyam momenta "Bol'shogo Razryva".
(Diagrammy postroeny dlya znacheniya postoyannoi Habbla H0=70 km/s/Mpk, zakrashennye oblasti postroeny dlya urovnya znachimosti 2$\sigma$.)

Ris. 2. Neskol'ko vozmozhnyh scenariev rasshireniya Vselennoi. Snizu vverh:
  • Nizhnie tri krivye predstavlyayut soboi Fridmanovskie scenarii, kotorye realizuyutsya, esli Vselennaya zapolnena veshestvom s w>-1/3.
    • Zakrytaya model' - Vselennaya rasshiryaetsya do maksimal'nogo razmera i zatem kollapsiruet. Mir sushestvuet konechnoe vremya.
    • Ploskaya model' - Vselennaya rasshiryaetsya beskonechno, skorost' ee rasshireniya stremitsya k nulyu.
    • Otkrytaya model' - Vselennaya takzhe rasshiryaetsya beskonechno, no na bol'shih vremenah skorost' ee rasshireniya stanovitsya postoyannoi.
    Otkrytaya i ploskaya Vselennye sushestvuyut neogranichennoe vremya i rasshiryayutsya beskonechno.
  • Vselennaya s kvinessenciei ili Lyambda-chlenom (-1<w<1/3) - nachinaya s nekotorogo momenta vremeni, rasshirenie Vselennoi uskoryaetsya. Vremya sushestvovaniya Vselennoi beskonechno.
  • Vselennaya s fantomnoi energiei (w<-1) - za konechnoe vremya razmer Vselennoi obrashaetsya v Beskonechnost'.

Posmotrim, kakuyu sud'bu predskazyvayut Vselennoi razlichnye kosmologicheskie scenarii.

V ploskoi i otkrytoi Fridmanovskih modelyah (bez temnoi energii) rasshirenie prodolzhaetsya beskonechno, no zamedlyaetsya. Pri etom razmer gorizonta (oblasti, dostupnoi dlya nablyudeniya) uvelichivaetsya bystree, chem masshtabnyi faktor Vselennoi. Po mere rasshireniya Vselennaya stanovitsya bolee holodnoi (padaet temperatura reliktovogo izlucheniya) i bolee temnoi (istochniki sveta - galaktiki i ih skopleniya - udalyayutsya). Odnako chislo vidimyh galaktik (vnutri gorizonta) vozrastaet - vblizi gorizonta "poyavlyayutsya" novye, ranee ne nablyudavshiesya ob'ekty.

Vo Vselennoi s temnoi energiei (-1<w<1/3) rasshirenie uskoryaetsya. Etot process dlitsya vechno. Vselennaya takzhe stanovitsya temnee i holodnee, no v etom sluchae razmery Vselennoi vozrastayut bystree, chem gorizont. Iz vidimoi oblasti postepenno budut ischezat' ob'ekty, raspolozhennye vblizi gorizonta. V konce koncov "v centre" nablyudaemoi oblasti Vselennoi ostanetsya tol'ko odin gravitacionno svyazannyi ob'ekt. Dlya nas eto budet mestnaya gruppa galaktik. Sud'ba galaktik, ne vhodyashih v gruppy i skopleniya, budet eshe bolee odinokoi. Davlenie i plotnost' zapolnyayushego Vselennuyu veshestva ubyvayut so vremenem. Isklyucheniem yavlyaetsya predel'nyi sluchai s $\Lambda$-chlenom (w=-1), kogda i davlenie, i plotnost' veshestva ostayutsya postoyannymi.

Prezhde chem pereiti k rassmotreniyu sud'by Vselennoi v scenarii s prizrachnoi energiei, nado obsudit' vopros o sud'be gravitacionno (i ne tol'ko) svyazannyh ob'ektov, poskol'ku eto vazhno. Soglasno Obshei Teorii Otnositel'nosti, istochnikom gravitacionnogo polya yavlyayutsya kak plotnost' veshestva, tak i ego davlenie, a tochnee, sleduyushaya ih kombinaciya $\rho+3p$ (dlya izotropnyh sred). Pust', kak my i rassmatrivaem, vse prostranstvo zapolneno takim veshestvom, togda telo (naprimer, planeta) obrashayusheesya vokrug zvezdy s massoi M po orbite radiusa R, perestanet byt' gravitacionno svyazannym so zvezdoi pri vypolnenii usloviya

$$ -\frac{4\pi}{3} (\rho+3p)R^3 \gtrsim M\,.$$

Iz etogo vyrazheniya yasno, chto "fonovaya" materiya delaet sistemy menee svyazannymi, esli $\rho+3p<0$, t.e. Vselennaya dolzhna byt' zapolnena temnoi ili fantomnoi energiei (w<-1/3).

V scenarii s temnoi energiei ee davlenie i plotnost' s techeniem vremeni ubyvayut, poetomu ob'ekty, kotorye yavlyayutsya svyazannymi (gravitaciei ili drugimi silami) segodnya, budut ostavat'sya takimi i v budushem.

Esli Vselennuyu zapolnyaet fantomnaya energiya (w<-1), to ee masshtabnyi faktor obrashaetsya v beskonechnost' za konechnyi interval vremeni. Eto sobytie avtory stat'i nazvali "Bol'shoi Razryv" (Big Rip) [pochemu razryv - smotrite nizhe] - po analogii s Bol'shim Vzryvom (Big Bang). (Zdes' prisutstvuet igra slov: Rip - razryv, RIP - abbreviatura ot Remain In Peace ["Pokoisya s mirom"] - tipichnoi angliiskoi epitafii.) Esli v kachestve primera vzyat' w=-3/2, to pri H0=70 km/s/Mpk Bol'shoi Razryv nastupit cherez 22 mlrd.let (kogda Vselennoi budet 35 mlrd.let). Tak zhe, kak i v scenarii s temnoi energiei, udalennye ob'ekty postepenno pokidayut nablyudaemuyu oblast', poskol'ku masshtabnyi faktor bystro vozrastaet, a granica obozrimoi oblasti prostranstva priblizhaetsya k nam (i vse eto proishodit za konechnoe vremya). V etom scenarii plotnost' i absolyutnaya velichina davleniya zapolnyayushego prostranstvo veshestva (prizrachnoi energii) vozrastayut so vremenem i k momentu Bol'shogo Razryva obrashayutsya v beskonechnost', kombinaciya $\rho+3p$ stanovitsya vse bolee i bolee otricatel'noi. Takim obrazom, obyazatel'no nastupit moment, kogda gravitacionno svyazannaya sistema s massoi M i razmerom R budet razorvana (raspadetsya). Eto proizoidet neizbezhno, ot parametrov sistemy zavisit tol'ko moment ee razryva. Budut razorvany i vse sistemy, svyazannye drugimi silami, tol'ko eto proizoidet pozzhe, poskol'ku razmery negravitacionno svyazannyh sistem men'she, a skreplyayushie ih sily - moshnee. (Otsyuda i vzyalos' nazvanie Bol'shoi Razryv.)

Dlya ukazannyh vyshe parametrov (w=-3/2 i H0=70 km/s/Mpk) zhizn' Vselennoi - ot Big Bang do Big Rip - vyglyadit tak:


Vremya         Sobytie

0Bol'shoi Vzryv
~10-43 sPlankovskaya era
~10-36 sInflyaciya
~100 sPervichnyi nukleosintez
~105 letObrazovanie atomov
~109 let Obrazovanie pervyh galaktik
~15.109 letSegodnya
trip-109 let Raspad skoplenii galaktik
trip-60.106 let Raspad Mlechnogo Puti *
trip-3 mesyaca Raspad Solnechnoi sistemy
trip-30 minut Razrushenie (vzryv) Zemli
trip-10-19 c Razrushenie atomov
trip=35.109 let Bol'shoi Razryv

* Kogda nachnetsya raspad galaktik, razmer gorizonta budet okolo 70 Mpk. V etoi sfere zaklyucheno dostatochno mnogo galaktik, tak chto my smozhem nablyudat', kak oni raspadayutsya (s uchetom zaderzhki, svyazannoi s konechnost'yu skorosti sveta).

Ne pravda li - budorazhashaya kartina?


Chto mozhno dobavit' k izlozheniyu rezul'tatov, privedennyh v stat'e Kaldvella, Kamionkovskogo i Veinberga?

  1. Chisto teoreticheski pokazano, chto krome davno predskazannyh variantov "sud'by" nashei Vselennoi - szhatiya s posleduyushim kollapsom ili beskonechnogo rasshireniya, naidena eshe odna vozmozhnost' - Bol'shoi Razryv. Na segodnyashnii den' eto tol'ko interesnaya teoreticheskaya ideya, kakih-libo ser'eznyh ukazanii na vozmozhnost' realizacii podobnogo scenariya net.
  2. Iz samyh obshih soobrazhenii yasno, chto nikakaya fizika ne smozhet zastavit' veshestvo obladat' svoistvami prizrachnoi energii do momenta Bol'shogo Razryva. Ego svoistva izmenyatsya, i dalee rasshirenie Vselennoi poidet po-drugomu. Odnako nel'zya zaranee skazat', kak blizko k Bol'shomu Razryvu ona podoidet i kakie tela v nei eshe sohranyatsya.


Publikacii s klyuchevymi slovami: Kosmologiya - big rip - temnaya energiya - lyambda-chlen - Rasshirenie Vselennoi - kvintessenciya
Publikacii so slovami: Kosmologiya - big rip - temnaya energiya - lyambda-chlen - Rasshirenie Vselennoi - kvintessenciya
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >>

Mneniya chitatelei [9]
Ocenka: 3.3 [golosov: 202]
 
O reitinge
Versiya dlya pechati Raspechatat'

Astronet | Nauchnaya set' | GAISh MGU | Poisk po MGU | O proekte | Avtoram

Kommentarii, voprosy? Pishite: info@astronet.ru ili syuda

Rambler's Top100 Yandeks citirovaniya