ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ и ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ (по материалам Интернет и доклада А.Д. Чернина, ГАИШ МГУ)

Энергетический состав Вселенной

В 30-е годы астроном Фриц Цвикки изучал движение связанной группы галактик, каждая из которых движется настолько быстро, что должна была бы покинуть группу, так как их общее тяготение примерно в 10 раз меньше того, что могло бы их удержать. Тем не менее они остаются в составе группы. Суммарную массу звезд, газа и пыли в галактиках ученые умеют определять. Она недостаточна. Оставалось предположить, что есть еще какая-то темная масса, что-то, чего астрономы не замечают.

J. Einasto et al ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ В ГАЛАКТИКАХ M ~ V 2 R /G

Рентгеновский снимок скопления галактик Может ли гравитация изображенных на фотографии галактик удержать содержащийся в той области светящийся горячий газ? Картинка является наложением оптического и рентгеновского изображений. На полученном с помощью Орбитальной Рентгеновской Обсерватории рентгеновском снимке, показана в условных цветах ограниченная область светящегося газа. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что гравитация групп и скоплений галактик превышает потенциал, обусловленный суммарной гравитацией отдельных составляющих. Этот факт объясняется присутствием темной материи, природа и количество которой остается огромной загадкой в астрономии и по сей день.гравитациярентгеновского Орбитальной Рентгеновской Обсерваториирентгеновском снимкегруппскоплений галактиктемной материизагадкой

Скопление галактик как гравитационная линза – еще одно свидетельство превышения масс!

Получается: совокупная масса в 10 раз больше, чем светящаяся масса! M ~ 10 M L

Вращение галактик Вращение галактик и их движение в скоплениях происходит так, как будто там существует огромное количество невидимого вещества. Но присутствует ли эта темная материя также и во всем пространстве Вселенной? Ответ можно получить, сравнивая распределение наблюдаемых галактик, с результатами численного моделирования. Точность этого сравнения недавно удалось значительно повысить благодаря тому, что стали доступны результаты наблюдения более чем галактик, выполненные в рамках Обзора красных смещений галактик на инструменте 2dF (2-Degree Field Galactic Redshift Survey). На приведенном кадре компьютерной модели показано сечение нашей Вселенной размером 300 миллионов световых лет. Темная материя представлена серым, а галактики цветными кружками. Красный прямоугольник указывает местоположение богатого скопления галактик, а зеленый более типичное для нашей Вселенной место. Исследования указывают, что мощная гравитация темной материи притягивает к ней обычное вещество, так, что светящаяся и темная материя фактически стягиваются в одни и те же области пространства.скоплениях невидимого веществараспределение наблюдаемых галактикчисленного моделирования Обзора красных смещений галактик На приведенном кадрекомпьютерной модели Вселенной Темная материяскопления галактикнашей Вселенной Исследования указываюттемной материисветящаясястягиваются в одни и те же области пространства

Анализируя распределение светящегося вещества и свойства гравитационного линзирования, которое обусловлено полной массой скопления, исследователи установили, как распределена темная материя. На карте, построенной в результате этого исследования, невидимая темная материя показана синим цветом, а положение галактик скопления - желтым. Работа, основанная на многочисленных наблюдениях на Космическом телескопе Хаббла, показала, что темная материя в скоплении не распределена равномерно, а подробно повторяет сгущения светящегося вещества.гравитационного линзированиякарте, построенной в результате Работатемная материя

А если это не темная материя, а другая форма закона гравитации? Основная идея подобных теорий – состоит, например, в том, что при очень низком ускорении, соответствуя большим расстояниям, обычный закон тяготения изменяется. Наиболее изученную из этих модификаций называют Измененной ньютоновой Динамикой, или MOND. Согласно этой гипотезе, сила силы тяжести уменьшается более медленно при низком ускорении (обратно пропорционально как расстояние, а не обратно пропорционально как квадрат расстояния). С этим предписанием меньше массы обязано объяснять наблюдаемое вращение внешних краев галактик или давления горячего газа в группах галактик чем в теории Ньютона-Einstein. Регулируя параметры теории, от необходимости в темной материи можно избавить. Но: противоречия для сталкивающихся скоплений…

Из чего состоит темное вещество? А) Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) (гипотетические нейтральные частицы – нейтралино, аксионы, гравитино и т.п. – в 100 и более раз массивны, чем атомы водорода m ~ M EW ~ 1 TeV Б, В, Г…) Барионное вещество? – не хватает… Черные дыры? – нет, тогда выделялось бы много энергии во Вселенной…

ЭЙНШТЕЙН (1917): КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ Λ = ВСЕМИРНОЕ АНТИТЯГОТЕНИЕ Темная энергия – когда о ней стали говорить и почему? Ее ассоциируют с космологическим членом, введенным Эйнштейном и потом отброшенным "за ненадобностью", называя ее в этом случае еще "энергией вакуума". Характерной ее особенностью является создаваемое ею отрицательное давление, поэтому с ней связывают еще и антигравитацию. Помимо космологического члена темную энергию объясняет множество теорий, привлекающих самые различные предположения: так называемая "квинтессенция" - среда, как и космологический член, обладающая отрицательным давлением, но не являющаяся "вакуумом". Это среда, плотность энергии которой не зависит от времени. Выполняется это только при определенном уравнении состояния, которому отвечает как раз космологическая константа. Квинтессенция этому уравнению состояния не удовлетворяет, так что плотность энергии ее меняется при расширении Вселенной (для космологической константы она не меняется), и вакуумом, таким образом, она не является (хотя зачастую квинтессенцию неправильно называют вакуумом).

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ? Я.Б. Зельдович (1967): Космический вакуум = квантово-механический вакуум всех физических полей ρ ~ ρ PL ~ г/см 3 ???

Свидетельство первое: определение постоянной Хаббла и другие космологические параметры из наблюдений далеких сверхновых Ia (Supernova Cosmology Project), 1998 год. Ниже приведены их основные результаты. На первой картинке - хаббловская диаграмма, на второй - она же, но в других координатах.первойвторой Видно, что Λ – не равен 0!

Свидетельство второе: тонкие наблюдения реликтового фона на спутнике WMAP и наземиных радиотелескопах ( ). Реликтовое излучение Реликтовое излучение во Вселенной может иметь такой характер неоднородностей, если Вселенная содержит определенное количество темного вещества и темной энергии. Этот вывод, основанный на детальном анализе температуры и пространственного распределения флуктуаций реликтового излучения, оказался неожиданным для тех, кто считал, что полученные на основании наблюдений далеких сверхновых свидетельства о странной Вселенной были не очень надежными.Вселеннойхарактер неоднородностейтемного веществатемной энергии Этот вывод детальном анализе далеких сверхновыхстранной Вселенной Размеры и распределение обнаруженных пятен говорят в пользу плоской модели Вселенной. Вместе с результатами исследования сверхновых, этот вывод свидетельствует об ускоренном расширении нашей Вселенной и о том, что она заполнена темным веществом и темной энергией. На этой картинке изображена карта распределения микроволнового излучения в области неба размером десять градусов. Видно, как микроволновой фон разрешается на отдельные горячие и холодные пятна (температура указана в миллионных долях градуса Кельвина).плоской модели Вселеннойрезультатами исследования сверхновыхрасширении нашей Вселеннойтемным веществомградуса Кельвина

ПЛОТНОСТЬ ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ ρ = (0,75 ± 0,05) * г/см 3 Riess et al. (1988) Perlmutter et al (1999) WMAP ( )

МОДЕЛЬ ФРИДМАНА ( ): АНТИТЯГОТЕНИЕ В РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ + НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ (2006) ТЯГОТЕНИЕ ВЕЩЕСТВА ПРЕОБЛАДАЕТ В ПЕРВЫЕ 7 млрд ЛЕТ: расширение замедляется ПОСЛЕДНИЕ 7-8 млрд ЛЕТ – ЭПОХА ВАКУУМА: ускоренное расширение

БУДУЩЕЕ ВСЕЛЕННОЙ: (1) НЕОГРАНИЧЕННЫЙ УСКОРЯЮЩИЙСЯ РАЗЛЕТ (2) ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ ЗАСТЫВАЕТ

ЛОКАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ: РЕГУЛЯРНЫЙ ХАББЛОВСКИЙ ПОТОК В МАСШТАБЕ 1-3 Мпк (A.Chernin, I.Karachetsev et al.2007) Регулярное хаббловское расширение прослеживается не только по далеким галактикам, но и по объектам Местной группы, т. е. вплоть до Мпк Но на этих масштабах распределение галактик очень неоднородно, и, если наблюдаемое распределение массы в Местном объеме влияет на кинематику галактик, близкие объекты не должны показывать столь регулярное расширение! Следовательно, движение галактик около нас слабо связано с их пространственным распределением, и кинематикой галактик руководит не их масса, а нечто другое. Что же это? По всей видимости, космологический вакуум, чья плотность доминирует в окружающем нас мире. Современная космология начинается не с сотен мегапарсек, а сразу за границами нашей Галактики !

РЕГУЛЯРНОЕ КОСМОЛОГИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНО ВО ВСЕХ МАСШТАБАХ ПОТОМУ, ЧТО ПЛОТНОСТЬ ВАКУУМА ИДЕАЛЬНО ОДНОРОДНА И ДЕЛАЕТ ПОЧТИ ВСЮ ВСЕЛЕННУЮ ПОЧТИ ОДНОРОДНОЙ В ЭПОХУ ВАКУУМА УНИВЕРСАЛЬНАЯ КОНСТАНТА H = (8 π G ρ) 1/2 = 64 км/с/Мпк

Можно привести значения космологических параметров, получаемые не из отдельных экспериментов, но из рассмотрения их совокупности. Они следующие: ( величина постоянной Хаббла в сотнях км/с/Мпс) (вклад барионов) возраст Вселенной = 13.7 (+/- 0.3) млрд. лет. При этом эти величины отличаются (как значениями, так и ошибками) от результатов каждого конкретного эксперимента. Например, отдельно SNIa давали возраст на 1 млрд. лет больший.

Другое объяснение - «Квинтэссенция» Формально темную энергию можно описать как вещество с уравнением состояния, описываемым одним параметром w - ("квинтэссенция"), причем это отношение считается постоянным (в рамках рассматриваемых нами предсказаний "будущего" Вселенной - строго постоянным, а для того, чтобы введение темной энергии имело смысл - постоянным на достаточно длительных интервалах времени). Подобное уравнение состояния при определенных значениях w нам хорошо известно: w=1/3 - это излучение, w=0 - пыль, среда без давления, w=-1 - введенный еще самими Эйнштейном ковариантный -член. Для того, чтобы расширение Вселенной, заполненной (преимущественно) подобным веществом, ускорялось, должно выполняться условие w

Если Вселенную заполняет фантомная энергия (w