Спросите Итана №52: как давно расширение Вселенной начало ускоряться?

Родись мы на пару миллиардов лет раньше, мы бы об этом не знали

В конце концов, “Вселенная” — это гипотеза, как и “атом”, и ей надо дать свободу обладать свойствами, делать противоречивые и невозможные для конечной материальной структуры вещи.
-Уильям де Ситтер

Уже год еженедельно я прошу вас отправлять мне вопросы и предложения, и я выбираю те, что мне понравились для еженедельной колонки “Спросите Итана”. Мы обращались к темам от мельчайших до крупнейших масштабов, от земных дел до космических, и от начала Вселенной до её конца. На этой неделе меня спрашивает Хемза Азри по поводу вот чего:

Пытаюсь узнать, есть ли новые данные наблюдений по поводу фазы ускорения Вселенной! Когда оно началось?

Поговорим о Вселенной и её расширении.

https://geektimes.ru/post/276908/
Меньше 100 лет назад мы узнали, что спиральные туманности в нашем небе — это не протозвёзды, возникающие в нашей галактике, а целые галактики, находящиеся от нас на расстояниях от миллионов до миллиардов световых лет. Почти сразу же мы поняли, что существует удивительная связь между расстоянием до галактики и её скоростью движения относительно нас.



Хотя в Общей теории относительности на тот момент было несколько точных решений, одно из них очень хорошо описывало Вселенную: расширяющаяся вселенная, однородная на самых больших масштабах. Хотя наша Вселенная не так уж и однородна на масштабах от нескольких десятков до миллионов световых лет, изучая масштабы в десятки миллиардов световых лет, мы видим, что отклонения от однородности весьма малы. В среднем, это решение – метрика Фридмана-Леметра-Робертсона-Уолкера – описывает Вселенную лучше других.



Она говорит нам, что пространство между галактиками – или между любыми структурами, не связанными друг с другом или с ещё более крупными структурами гравитацией – должно расширяться. Если мы хотим узнать, как оно расширяется, то есть, с какой скоростью, нам нужно знать две вещи:

• скорость расширения в любой момент времени
• типы и пропорции материи и энергии, присутствующие во Вселенной

И всё! Если мы узнаем два этих момента, мы сможем понять и судьбу Вселенной, и скорость расширения, которая была, есть и будет, в любой момент, начиная с Большого взрыва.



Первый пункт довольно прост, и у нас есть множество путей решения этой задачи. Изучая удалённость разных объектов Вселенной и их скорость удаления от нас, мы можем узнать сегодняшнюю скорость расширения. Это один момент, но его просто подсчитать. Хотя по поводу точного значения скорости в 1990-х шли споры, сейчас мы установили, что она примерно равна 67 км/с/Мпк (где Мпк – примерно 3 260 000 световых лет) с точностью в 2-3 км/с/Мпк.

Ответ на второй вопрос мы получили из комбинации наблюдений за объектами разных типов, включая удалённые объекты вроде сверхновых, космическое микроволновое излучение, крупномасштабные структуры и барионные акустические колебания.



И в результате у нас получилось, что состав Вселенной примерно такой:

• 0,01% — фотоны, или излучение в виде света
• 4,9% — обычная материя на основе протонов, нейтронов, электронов
• 27% — тёмная материя, включая нейтрино, которых в ней в сумме содержится 0,1%, а остальное – неизвестно
• 68% — тёмная энергия, которая, по нашим наблюдениям, не отличается от космологической константы

Вот из этого, насколько мы знаем, и состоит Вселенная.



Говоря про ускорение Вселенной, мы имеем в виду нечто конкретное. Мы не имеем в виду, что текущая скорость расширения, 67 км/с/Мпк, увеличивается. Представьте себе удалённую галактику на любом расстоянии от нас. Пусть это будет расстояние в 10 Мпк, тогда скорость расширения будет 670 км/с.



С такой скоростью от нас удаляется определённая галактика. По мере расширения Вселенной она становится менее плотной, и плотность энергии падает. Поскольку скорость расширения зависит от плотности энергии, она тоже падает. Но поскольку Вселенная всё это время расширялась, галактика, за которой мы следим, отодвинется дальше от нас.

Подумайте об этом: скорость расширения в будущем получается меньше, но конкретные объекты оказываются дальше от нас. Если нам нужно посчитать видимую скорость объекта по мере продвижения в будущее, нам надо перемножить два этих числа, поэтому вопрос состоит в том, что меняется быстрее – уменьшается скорость расширения или увеличивается расстояние до объекта?



А это зависит от того, каков процент энергии Вселенной находится в виде материи и излучения, плотность которых со временем уменьшается, и какой процент содержится в виде космологической константы, плотность которой остаётся неизменной. Посмотрим, как материя, излучение и тёмная энергия (космологическая константа) меняются со временем.



Сейчас во Вселенной доминирует тёмная энергия, поэтому скорость расширения падает не так быстро, как увеличивается расстояние: к тому времени, как скорость расширения упадёт на 10%, объект будет от нас в два раза дальше, чем сейчас – то есть, он ускоряется. Но в прошлом у Вселенной было гораздо меньше тёмной энергии в процентном соотношении, и гораздо больше материи. А ещё раньше над ними преобладало излучение. Когда материи или излучения было больше, скорость расширения падала быстрее, и Вселенная замедлялась. В наше время, 13,8 миллиардов лет после рождения, только относительно недавно произошёл момент, когда объекты, двигающиеся от нас, начали делать это с ускорением!



Математически, переход от замедления, которым Вселенная занималась первые несколько миллиардов лет, к ускорению, которое происходит последние несколько миллиардов лет, происходит, когда плотность тёмной энергии достигает значения в половину общей плотности материи. Сейчас она только перевалила через отметку в два раза большую, чем плотность материи, поэтому ускорение продолжается уже давно, с тех пор, как размер Вселенной составлял 62% от текущего. Немного подсчитав и обратившись к астрофизике, можно рассчитать возраст Вселенной, в котором она прошла через критическую отметку – оказывается, это случилось, когда ей было 7,8 миллиардов лет, или примерно 6 миллиардов лет назад – за 1,5 миллиарда лет до формирования Солнечной системы.

Если мы сожмём всю историю Вселенной до одного календарного года, то начало ускорения Вселенной придётся на 27 июля.



Это число очень чувствительно к малым изменениям параметров плотности материи, тёмной энергии и скорости расширения. Если поменять их на 2-3%, время окончания замедления и начала ускорение может поменяться на 1-2 миллиарда лет! Тёмная энергия не доминировала в составе Вселенной ещё 1,9 миллиарда лет (помните, в момент перехода от замедления к ускорению её количество в два раза меньше, чем материи), и должно пройти ещё 4,! Миллиарда лет до достижения сегодняшнего количества, когда её в два раза больше, чем материи.

Но вот в такой ускоряющейся Вселенной мы живём, и вот когда случился переход! Спасибо за отличный вопрос, и если у вас есть свои идеи, отправляйте их в нашу колонку. На следующей неделе начнётся её второй год жизни.