Спросите Итана №67: тёмная материя против тёмной энергии

Вселенная выглядит причудливо: изобилие галактик, множество кластеров, но нет ничего сильно больше по размеру. Почему она стала именно такой?

Мы неправдоподобно небрежно относимся к формированию наших верований, но находим в себе неоправданную страсть к ним, как только кто-то предлагает лишить нас их компании
— Джеймс Харви Робинсон

Конечно, у большинства из нас есть представления о том, как наша Вселенная стала такой, какая она есть. Но некоторые детали, неважно, насколько они научно обоснованы, сбивают с толку. На этой неделе мне задаёт вопрос Том Андерсон:
Тёмная материя притягивает, тёмная энергия отталкивает. Тёмная энергия непрерывно поддерживает расширение пространства между гравитационно связанными галактиками/кластерами, и текущее научное представление состоит в том, что она будет вечно расширяться, охлаждаться и всё закончится «большим замерзанием». Но гравитационно связанные системы не расширяются, и совместная сила тяготения тёмной и обычной материи равна или превосходит силе отталкивания тёмной энергии и обычной энергии. Почему же Вселенная вообще расширилась после Большого взрыва? Почему тёмная материя не оказала противодействия тёмной энергии в начале Вселенной?
Вопрос насыщенный, так что давайте разделим его на части.

https://geektimes.ru/post/277968/
Принципы работы Вселенной и формирования структур, таких, как звёзды, галактики и кластеры, находятся за пределами нашего бытового опыта. Если крайне упростить, то Вселенная состоит из расширяющегося пространства-времени, и скорость расширения начинается с какого-то значения, определённого физикой космической инфляции и тем, как заканчивается инфляционный период.



Но скорость расширения не остаётся постоянной по окончанию инфляции, поскольку Вселенная наполнена всякими другими формами энергии: излучением, материей, антиматерией, нейтрино, тёмной материей, и небольшим количеством присущей пространству энергии, известной, как тёмная энергия. Именно комбинация всего этого – меняющаяся с расширением Вселенной – определяет изменение скорости расширения во времени.



В глобальном масштабе, если взять всю Вселенную целиком, она либо реколлапсирует полностью, либо будет расширяться бесконечно, или окажется на границе этих двух случаев – в зависимости от того, какими именно окажутся соотношения всех различных форм энергии, присутствующих во Вселенной.

Во Вселенной, в которой мы живём, всё выглядит так, что она будет расширяться вечно, и в будущем тёмная энергия станет доминирующей силой.



Но этот анализ не работает на всех масштабах Вселенной: он лишь описывает сценарий на глобальном масштабе. Он говорит о том, что в нашем случае в будущем все объекты, не связанные друг с другом гравитацией, будут разлетаться друг от друга с ускорением.

Но остаются системы, связанные гравитацией, существующие на небольших масштабах в огромных количествах, на средних масштабах – в умеренных количествах, и на больших масштабах – редко, но встречающиеся. И все они оказываются частью одной космической истории.



Вселенная не родилась идеально гладкой, с абсолютно одинаковыми количествами материи, излучения, тёмной материи и тёмной энергии во всех местах. Если бы это было так, Вселенная была бы ужасно скучным, идеально однородным морем, где везде было бы всего одинаково. Не было бы звёзд, галактик, планет, пустот, людей, животных, жизни, кластеров, нитей.

Вместо этого, с самого начала времён во Вселенной были участки с повышенной и пониженной плотностью на всех масштабах: малых, средних и больших.



Тёмная материя помогает участкам с высокой плотностью расти, и они могут делать это достаточно быстро для того, чтобы сколлапсировать из-за гравитации, всего лишь за десятки миллионов лет. Всё идёт так, будто во Вселенной появились небольшие участки с такой большой плотностью, что если бы вся Вселенная была такой плотной, она бы довольно быстро реколлапсировала!



Конечно, во многих других участках плотность ниже средней, и они раздают свою материю участкам с высокой плотностью. Если бы вся Вселенная была такой же, как эти участки, у нас было бы очень, очень мало звёзд, галактик и кластеров.

Но именно это разнообразие начальных условий во Вселенной позволило нам получить разнообразие всего, что мы видим сейчас. В космической битве между тёмной материей и тёмной энергией, гравитации с расширением, в сражении космической «тяги», формирующей структуры, и космического «отталкивания», препятствующего этому, есть и победители, и проигравшие.



Мы легче замечаем победителей, поскольку они испускают и поглощают видимый свет и свет с других частей электромагнитного спектра, приводят к гравитационному линзированию, и поскольку наличие чего-либо легче обнаружить, чем отсутствие.



Но существуют и пустые участки, которые тоже имеют значение, и которых гораздо больше, чем «полных»! Суммарная сила притяжения тёмной и обычной материи может побороть и изначальное расширение, и дополнительную ускоряющую силу тёмной энергии, но только на небольших масштабах и в достаточно ранние времена.

Увеличивая масштаб, мы видим, что у отталкивания становится всё больше побед, а на самых больших масштабах оно выигрывает всегда.



Вселенная сначала расширялась из-за заданных инфляцией условий, и возможности реколлапсировать – благодаря гравитационному притяжению материи, тёмной материи, излучения и нейтрино – хватало для побед только в избранных местах. Притяжение победило не везде, а лишь в меньшинстве случаев, и проиграло в среднем.

Именно поэтому, наблюдая нашу Вселенную, мы видим множество разбросанных по ней галактик, многие из которых собрались в группы и большие скопления, а на больших масштабах они выстроились вдоль линий. Но эти группы, состоящие из тысяч галактик и простирающиеся на сотни миллионов световых лет, скорее всего, являются крупнейшими из связанных гравитацией структур. На более крупных масштабах все структуры временные, и наличие тёмной энергии, в конце концов, растащит их.



Если бы во Вселенной было чуть-чуть побольше тёмной материи – на 1/10²⁴ больше – она бы реколлапсировала миллиарды лет назад. Она очень долго была точно сбалансированной – с гравитацией, где-то побеждающей локально, где-то проигрывающей – но сейчас, когда тёмная энергия стала преобладать, мы видим, что её воздействие победит. Оно победит в конце, на крупнейших масштабах, и для всего, что не было связано гравитацией в первые семь, или около того, миллиардов лет жизни Вселенной.

Спасибо за прекрасный вопрос, и надеюсь, что объяснение было сделано понятно для вас и для остальных.Присылайте мне ваши вопросы и предложения для следующих статей.