Genişleyen evren. Büyük Patlama ve Genişleyen Evren

Evren nerede genişliyor?
Sanırım herkes bunu zaten duymuştur Evren genişliyor, ve çoğu zaman onu Galaksiler ve nebulalarla dolu, daha küçük bir durumdan büyüyen devasa bir top olarak hayal ederiz ve düşünce zamanın başlangıcında bunun içine sızar. Evren Genel olarak bir noktaya sıkıştırılmıştı.

Sonra şu soru ortaya çıkıyor: Arkasında ne var? sınır , Ve evrenin genişlediği yer ? Peki hangi sınırdan bahsediyoruz? değil mi Evren sonsuz değil mi? Yine de bunu çözmeye çalışalım.

Evrenin Genişlemesi ve Hubble Küresi

İçinde her şeyi görebildiğimiz süper devasa bir teleskopla gözlem yaptığımızı hayal edelim. Evren . Genişliyor ve galaksileri bizden uzaklaşıyor. Üstelik uzaysal olarak bize göre ne kadar uzaksa galaksiler o kadar hızlı uzaklaşıyor. Daha da ileriye bakalım. Ve belli bir mesafeden, tüm cisimlerin bize göre ışık hızıyla uzaklaştığı ortaya çıkıyor. Bu, adı verilen bir küre yaratır. Hubble küresi . Şimdi biraz daha az 14 milyar ışıkyılı ve onun dışındaki her şey bize göre ışıktan daha hızlı uçup gidiyor. Bu çelişiyor gibi görünüyor Görelilik Teorileri Çünkü hız ışık hızını aşamaz. Ama hayır, çünkü burada nesnelerin hızından değil, hızlarından bahsediyoruz. uzayın genişlemesi . Ancak bu tamamen farklıdır ve herhangi bir şey olabilir.
Ama daha ileriye bakabiliriz. Belli bir mesafede nesneler o kadar hızlı uzaklaşır ki onları hiç göremeyeceğiz. Bizim yönümüze yayılan fotonlar asla Dünya'ya ulaşamayacak. Yürüyen merdivenin yönüne karşı yürüyen bir insan gibidirler. Hızla genişleyen uzay tarafından geri taşınacaklar. Bunun gerçekleştiği sınıra denir Parçacık ufku . Şimdi mesele 46,5 milyar ışıkyılı . Bu mesafe artar çünkü Evren genişliyor . Bu sözde sınır Gözlemlenebilir evren . Ve bu sınırın ötesindeki her şeyi asla göremeyeceğiz.
Ve işte en ilginç şey. Arkasında ne var? Belki sorunun cevabı budur? Her şeyin çok sıradan olduğu ortaya çıktı. Aslında sınır yoktur. Ve orada aynı galaksiler, yıldızlar ve gezegenler milyarlarca milyar kilometre boyunca uzanıyor.

Ama nasıl?! Bu nasıl oluyor?

Evrenin Genişleme Merkezi ve Parçacık Ufku

Sadece Evren oldukça akıllıca dağılıyor. Bu durum uzayın her noktasında aynı şekilde gerçekleşir. Sanki bir koordinat ızgarasını alıp ölçeğini büyütmüşüz gibi. Bu gerçekten de tüm Galaksilerin bizden uzaklaşıyormuş gibi görünmesini sağlıyor. Ancak başka bir galaksiye giderseniz aynı resmi göreceksiniz. Artık tüm nesneler ondan uzaklaşacak. Yani, uzayın her noktasında sanki biz oradaymışız gibi görünecek. genişleme merkezi . Her ne kadar bir merkez olmasa da.
Yani eğer kendimizi yanında bulursak Parçacık ufku Komşu Galaksiler bizden uçup gitmeyecek daha yüksek hız Sveta. Nihayet Parçacık ufku bizimle hareket edin ve yine çok uzakta olacaktır. Buna göre sınırlar değişecek Gözlemlenebilir evren ve daha önce gözlemlenemeyen yeni Galaksileri göreceğiz. Ve bu işlem sonsuza kadar yapılabilir. Parçacıkların ufkuna defalarca ilerleyebilirsiniz, ancak o zaman kendisi de değişecek ve yeni ufuklar açacaktır. Evren . Yani sınırlarına asla ulaşamayacağız ve öyle görünüyor ki Evren ve bu doğru sonsuz . Sadece gözlemlenebilir kısmının sınırları var.
Benzer bir şey de oluyor Küre . Bize öyle geliyor ki ufuk bir sınırdır yeryüzü, ama o noktaya gitmeye değer ve ortaya çıkıyor ki sınır yok. sen Evren ötesinde hiçbir sınır yoktur boş zaman ya da böyle bir şey. Sadece burada karşılaştık sonsuzluk bu bizim için alışılmadık bir durum. Ama şunu söyleyebilirsin Evren her zaman sonsuz olmuştur ve sonsuz kalmayı sürdürürken esnemektedir. Bunu yapabiliyor çünkü uzayda en küçük parçacık bile yok. İstenildiği kadar uzayabilir. Evrenin genişlemek için sınırlara ve genişleyeceği alanlara ihtiyacı yoktur. Yani bu basitçe mevcut değil.

Öyleyse bekle bir dakika, peki ya Büyük patlama ?! Uzayda var olan her şey küçücük bir noktaya sıkıştırılmış değil miydi?!

HAYIR! Yalnızca bir noktaya sıkıştırılmıştı evrenin gözlemlenebilir sınırı . Ve bir bütün olarak hiçbir zaman sınırları olmadı. Bunu anlamak için hayal edelim Evren saniyenin milyarda biri kadar sonra gözlemlenen kısmı basketbol topu büyüklüğündeydi. O zaman bile gidebiliriz Parçacık ufku ve görünen her şey Evren hareket edecek. Bunu istediğimiz kadar yapabiliriz ve ortaya çıkıyor ki Evren Gerçekten sonsuz .
Aynı şeyi daha önce de yapabiliriz. Böylece zamanda geriye doğru giderek kendimizi daha yakın bulacağız. Büyük patlama . Ama aynı zamanda, her seferinde şunu keşfedeceğiz: Evren sonsuzdur her zaman diliminde! Büyük Patlama anında bile! Ve bunun belirli bir noktada değil, Kozmos'un sınırı olmayan her yerde, her noktada gerçekleştiği ortaya çıktı.
Ancak bu sadece bir teori. Evet, oldukça tutarlı ve mantıklı ama eksiklikleri de var.

Madde şu anda hangi durumdaydı? Büyük patlama ? Ondan önce ne oldu ve neden oldu? Şu ana kadar bu soruların net bir cevabı yok. Ancak bilim dünyası yerinde durmuyor ve belki de bu gizemlerin çözümüne görgü tanığı bile olacağız.

Çevremizdeki dünyaya ilişkin bilgi tarihinde genel bir yön açıkça görülmektedir - doğanın tükenmezliğinin, her bakımdan sonsuzluğunun kademeli olarak tanınması. Evren uzay ve zamanda sonsuzdur ve eğer I. Newton'un "ilk dürtü" hakkındaki fikirlerini bir kenara bırakırsak, o zaman bu tür bir dünya görüşünün tamamen materyalist olduğu düşünülebilir. Newton'un Evreni, uzayın tüm gök cisimlerinin kabı olduğunu, hareketi ve kütlesiyle hiçbir şekilde bağlantılı olmadığını savundu; Evren her zaman aynıdır, yani sabittir, ancak içinde sürekli olarak dünyaların ölümü ve doğuşu meydana gelir.

Görünüşe göre Newton kozmolojisinin gökyüzü bulutsuz olacağını vaat ediyordu. Ancak çok geçmeden bunun tersine ikna olmam gerekti. 19. yüzyılda. Kozmolojik olarak adlandırılan üç paradoks şeklinde formüle edilen üç çelişki keşfedildi. Evrenin sonsuzluğu fikrini baltalıyor gibiydiler.

Fotometrik paradoks. Eğer Evren sonsuzsa ve içindeki yıldızlar eşit şekilde dağılmışsa, o zaman herhangi bir yönde bir yıldız görmemiz gerekir. Bu durumda gökyüzünün arka planı Güneş gibi göz kamaştırıcı derecede parlak olacaktır.

Yerçekimi paradoksu. Eğer Evren sonsuzsa ve yıldızlar uzayını eşit bir şekilde kaplıyorsa, o zaman her noktadaki çekim kuvveti sonsuz derecede büyük olmalıdır ve dolayısıyla kozmik cisimlerin göreceli ivmeleri sonsuz derecede büyük olacaktır, ancak bilindiği gibi durum böyle değildir.

Termodinamik paradoks. Termodinamiğin ikinci yasasına göre her şey fiziksel süreçler Evrende meydana gelen olaylar sonuçta uzayda geri dönülemez bir şekilde dağılan ısının açığa çıkmasına neden olur. Er ya da geç, tüm vücutlar mutlak sıfır sıcaklığına kadar soğuyacak, hareket duracak ve “termal ölüm” sonsuza kadar gerçekleşecek. Evrenin bir başlangıcı vardı ve kaçınılmaz olarak sona erecek.

20. yüzyılın ilk çeyreği Sonucun durgun bir beklentisiyle geçti. Elbette hiç kimse Evrenin sonsuzluğunu inkar etmek istemedi, ancak öte yandan hiç kimse durağan Evrenin kozmolojik paradokslarını ortadan kaldırmayı başaramadı. Yalnızca Albert Einstein'ın dehası kozmolojik tartışmalara yeni bir ruh kazandırdı.

Newton'un klasik fiziği, daha önce de belirtildiği gibi, uzayı cisimlerin bulunduğu bir kap olarak görüyordu. Newton'a göre cisimlerle uzay arasında herhangi bir etkileşim olamaz.

1916'da A. Einstein ilkeleri yayınladı genel teori görelilik. Ana fikirlerinden biri, maddi cisimlerin, özellikle de büyük kütlelerin, alanı gözle görülür şekilde bükmesidir. Bu nedenle örneğin Güneş'in yakınından geçen bir ışık ışını orijinal yönünü değiştirir.

Şimdi Evrenin gözlemlediğimiz kısmının tamamında maddenin uzayda eşit bir şekilde "yayıldığını" ve aynı yasaların onun herhangi bir noktasında geçerli olduğunu hayal edelim. Belirli bir ortalama kozmik madde yoğunluğunda, Evrenin seçilen sınırlı kısmı yalnızca uzayı bükmekle kalmayacak, aynı zamanda

hatta onu "kendi kendine" kapatacaktır. Evren (daha doğrusu onun seçilmiş bir kısmı) sıradan bir küreyi anımsatan kapalı bir dünyaya dönüşecek. Ancak yalnızca bu, biz üç boyutlu varlıkların hayal edemeyeceğimiz dört boyutlu bir küre veya bir hiperküre olacaktır. Ancak benzetme yoluyla düşünürsek hiperkürenin bazı özelliklerini kolaylıkla anlayabiliriz. Sıradan bir küre gibi, sonlu bir madde kütlesi içeren sonlu bir hacme sahiptir. Kozmik uzayda sürekli aynı yönde uçarsanız, belirli sayıda milyar yıl sonra başlangıç ​​noktanıza ulaşabilirsiniz.

Kapalı bir Evrenin olasılığı fikri ilk olarak A. Einstein tarafından dile getirildi. 1922'de Sovyet matematikçi A. A. Friedman, Einstein'ın "kapalı Evreni"nin muhtemelen statik olamayacağını kanıtladı. Her durumda, alanı tüm içeriğiyle birlikte ya genişler ya da daralır.

1929'da Amerikalı gökbilimci E. Hubble dikkat çekici bir model keşfetti: Galaksilerin büyük çoğunluğunun spektrumundaki çizgiler kırmızı uca doğru kayıyor ve galaksi bizden uzaklaştıkça cisimlerin yer değiştirmesi daha büyük oluyor. Bu ilginç olay kırmızıya kayma denir. Kırmızıya kaymayı Doppler etkisiyle, yani kaynağın hareketinden dolayı ışığın dalga boyunda bir değişiklikle açıklayan bilim adamları, bizim galaksilerimiz ile diğer galaksiler arasındaki mesafenin sürekli arttığı sonucuna vardılar. Metagalaksi'de özel bir konuma sahip olmayan Galaksimizden elbette galaksiler her yöne uçmuyor, ancak tüm galaksilerin karşılıklı olarak uzaklaştırılması söz konusu. Bu, herhangi bir galakside bulunan bir gözlemcinin bizim gibi bir kırmızıya kaymayı tespit edebileceği anlamına gelir; ona tüm galaksiler ondan uzaklaşıyormuş gibi görünebilir. Dolayısıyla Metagalaxy durağan değildir. Metagalaxy'nin genişlemesinin keşfi, Metagalaxy'nin geçmişte şimdikiyle aynı olmadığını ve gelecekte farklı olacağını, yani Metagalaxy'nin evrimleştiğini gösteriyor.

Galaksilerin uzaklaşma hızları kırmızıya kaymadan belirlenir. Pek çok galakside ışık hızıyla karşılaştırılabilecek kadar büyüktürler. Bazen aşan en yüksek hızlar

Metagalaksi'nin bizden en uzak cisimleri sayılan bazı kuasarların hızı 250 bin km/s'dir.

Kırmızıya kaymanın (ve dolayısıyla galaksilerin uzaklaştırılma hızının) galaksilere olan mesafeyle orantılı olarak arttığını öngören yasa (Hubble yasası) şu şekilde yazılabilir: v - Нr, burada v, galaksinin radyal hızıdır; r ona olan mesafedir; H Hubble sabitidir. İle modern tahminler, H'nin değeri sınırlar dahilindedir:

Sonuç olarak, Metagalaksi'nin gözlemlenen genişleme hızı öyledir ki, birbirinden 1 Mpc (3 10 19 km) uzaklıkla ayrılan galaksiler birbirlerinden 50 ila 100 km/s hızla uzaklaşmaktadır. Galaksinin uzaklaşma hızı biliniyorsa uzak galaksilere olan mesafe hesaplanabilir.

Yani genişleyen bir Metagalaksi'de yaşıyoruz. Bu olgunun kendine has özellikleri vardır. Metagalaksinin genişlemesi, yalnızca gökada kümeleri ve üstkümeleri, yani unsurları gökada olan sistemler düzeyinde kendini gösterir. Metagalaxy'nin genişlemesinin bir diğer özelliği de galaksilerin dağıldığı bir merkezin bulunmamasıdır.

Metagalaxy'nin genişlemesi şu anda bilinen en iddialı doğa olgusudur. Doğru yorumunun son derece büyük bir dünya görüşü önemi vardır. Bu olgunun nedenini açıklarken bilim adamlarının felsefi görüşlerindeki radikal farklılığın keskin bir şekilde ortaya çıkması tesadüf değildir. Bazıları, Metagalaxy'yi tüm Evren ile özdeşleştirerek, Metagalaxy'nin genişlemesinin, Evrenin doğaüstü, ilahi kökeni hakkındaki dini inancı doğruladığını kanıtlamaya çalışıyor. Ancak evrende geçmişte gözlemlenen genişlemeye neden olabilecek bilinen doğal süreçler vardır. Büyük ihtimalle bunlar patlamadır. Ölçekleri, tek tek gökada türlerini incelerken bile bizi şaşırtıyor. Metagalaxy'nin genişlemesinin hayal edilebilir

aynı zamanda muazzam sıcaklık ve yoğunluğa sahip devasa bir madde patlamasını anımsatan bir olayla başladı.

Evren genişlediğinden, onun eskiden daha küçük olduğunu ve bir zamanlar tüm uzayın süper yoğun bir tabaka halinde sıkıştırıldığını düşünmek doğaldır. maddi nokta. Bu, modern fiziğin denklemleriyle tanımlanamayan sözde tekillik anıydı. Bilinmeyen nedenlerden dolayı patlamaya benzer bir süreç meydana geldi ve o zamandan beri Evren “genişlemeye” başladı. Bu durumda meydana gelen süreçler sıcak Evren teorisi ile açıklanmaktadır.

1965 yılında Amerikalı bilim adamları A. Penzias ve R. Wilson, Evrenin süper yoğun ve sıcak bir durumda, yani kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunda olduğuna dair deneysel kanıtlar buldular. Görünüşe göre uzay Henüz yıldızların, galaksilerin veya bulutsuların bulunmadığı, Evrenin gelişiminin o eski çağından gelen haberciler olan elektromanyetik dalgalarla dolu. CMB radyasyonu tüm uzaya, tüm galaksilere nüfuz eder, Metagalaksi'nin genişlemesine katılır. CMB elektromanyetik radyasyonu, dalga boyları 0,06 cm'den 60 cm'ye kadar olan radyo aralığındadır.Enerji dağılımı, 2,7 K sıcaklıktaki tamamen siyah bir cismin spektrumuna benzer.CMB radyasyonunun enerji yoğunluğu 4 10 -13 erg/'dir. cm3, maksimum radyasyon 1,1 mm'de meydana gelir. Bu durumda radyasyonun kendisi belirli bir arka plan karakterine sahiptir çünkü tüm alanı doldurmaktadır ve tamamen izotroptur. Evrenin başlangıç ​​durumuna tanıklık eder.

Her ne kadar bu keşif kozmik radyo girişimi incelenirken tesadüfen yapılmış olsa da, kozmik mikrodalga arka plan ışınımının varlığının teorisyenler tarafından tahmin edilmiş olması çok önemlidir. D. Gamow, bu radyasyonu tahmin eden ve köken teorisini geliştiren ilk kişilerden biriydi. kimyasal elementler Büyük Patlama'dan sonraki ilk dakikalarda ortaya çıktı. Kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun varlığını tahmin etmek ve onu uzayda tespit etmek, dünyanın ve yasalarının bilinebilirliğine dair bir başka ikna edici örnektir.

Geliştirilen tüm dinamik kozmolojik modeller, Evrenin tekil adı verilen süper yoğun ve süper sıcak bir durumdan genişlediği fikrini doğrulamaktadır. Amerikalı astrofizikçi D. Gamow, Büyük Patlama ve sıcak Evren kavramına evriminin ilk aşamalarında ulaştı. Evrenin evriminin ilk aşamasındaki sorunların analizi, boşluğun doğası hakkındaki yeni fikirler sayesinde mümkün oldu. W. de Sitter'in boşluk (r ~ e Ht) için elde ettiği kozmolojik çözüm, üstel genişlemenin kararsız olduğunu gösterdi: sonsuza kadar devam edemez. Nispeten kısa bir süre sonra üstel genişleme durur, vakumda bir faz geçişi meydana gelir ve bu sırada vakum enerjisi dönüşür. sıradan madde ve Evrenin genişlemesinin kinetik enerjisi. Büyük Patlama 15-20 milyar yıl önce gerçekleşti.

Sıcak Evrenin standart modeline göre, süper yoğun madde Büyük Patlama'dan sonra genişlemeye ve yavaş yavaş soğumaya başladı. Genişleme ilerledikçe faz geçişleri meydana geldi ve bunun sonucunda Fiziksel gücü Maddi cisimlerin etkileşimleri. Yoğunluk ve sıcaklık gibi temel fiziksel parametrelerin deneysel değerlerinde (p ~ 10 96 kg/m3 ve T ~ 10 32 K), İlk aşama evrenin genişlemesi arasındaki fark temel parçacıklar ve dört tür fiziksel etkileşim pratikte yoktur. Sıcaklığın azalması ve maddenin farklılaşmasının başlamasıyla ortaya çıkmaya başlar.

Böylece, modern fikirler Metagalaxy'mizin ortaya çıkış tarihi hakkındaki bilgiler beş önemli deneysel gözleme dayanmaktadır:

1. Yıldızların spektral çizgileri üzerine yapılan bir çalışma, Metagalaksi'nin ortalama olarak tek bir çizgiye sahip olduğunu göstermektedir. kimyasal bileşim. Hidrojen ve helyum baskındır.

2. Uzak galaksilerin elementlerinin spektrumunda, spektrumun kırmızı kısmında sistematik bir kayma tespit edilir. Büyüklük

Galaksiler gözlemciden uzaklaştıkça bu yer değiştirme artar.

3. Uzaydan gelen radyo dalgalarının santimetre ve milimetre mertebelerindeki ölçümleri, uzayın düzgün ve izotropik olarak zayıf radyo emisyonuyla dolu olduğunu göstermektedir. Bu arka plan radyasyonunun spektral imzası, yaklaşık 2,7 derece Kelvin sıcaklıktaki siyah cisim radyasyonuna karşılık gelir.

4. Tarafından astronomik gözlemler Galaksilerin büyük ölçekli dağılımı, modern tahminlere göre metreküp başına en az 0,3 baryon olan sabit bir kütle yoğunluğuna karşılık gelir.

5. Süreç analizi radyoaktif bozunma Göktaşlarındaki veriler, bu bileşenlerden bazılarının 14 ila 24 milyar yıl önce ortaya çıkmış olması gerektiğini gösteriyor.

Evren genişliyor. Ancak bir bakıma genişleme henüz doğrudan gözlemlenmedi: teorisyenler çeşitli modeller, onu tanımlamamıza izin veriyor, ancak uzay nesnelerinin gerçek zamanlı olarak nasıl daha da uzaklaştığını görmüyoruz.

Gözlemlerin doğruluğunun büyük ölçüde iyileştirilmesi gerekiyor ve mevcut teknolojiyle bu süreci gösteren verileri toplamak için yüzyıllarca veya en azından on yıllar beklemek zorunda kalacağız.

Evrenin genişlemesini gösteren bir model oluşturmak için genellikle genişleyen Evreni genişleyen bir Evren ile karşılaştırırız. balon. Aynı zamanda “gözlem alanının” tamamının tamamen ve anlık olarak elimizde olduğunu varsayıyoruz. Aslında bir galaksiyi ne kadar uzakta gözlemliyorsak, ışığının gözümüzün retinasına ulaşması da o kadar uzun sürüyor. Sonuç olarak, bu ışığın yayıldığı anda galaksi “daha ​​az şişkin” bir topun yüzeyinde görünüyordu. Gözlemlediğimiz en uzak galaksiler, “topun” çok küçük olduğu bir zamanda görülebiliyordu. Böylece, ışığın sonlu hızı nedeniyle çevremizdeki dünyanın oldukça çarpık bir resmini görüyoruz.

Genişleyen Evrenin bu modelinin özel bir özelliği, bir tür "dışarıdan bakış"tır. Sanki "ekstra" bir boyuttan bakıyoruz ve ayrıca her şeyi aynı anda görüyoruz, tek bir "kozmik saat" kullanarak süreçleri gözlemliyoruz, yani tüm Evreni aynı anda kaplıyor, sonsuz bir hızla bilgi alıyoruz. Bu "Tanrı görüşüne" sıradan bir gözlemci erişemez.

Biz Dünya'dayız, Evrenin içindeyiz. Sinyaller bize sınırlı bir hızla, ışık hızıyla gelir. Bu nedenle uzaktaki nesneleri uzak geçmişteki halleriyle görürüz. Astronomide kırmızıya kayma, spektrumun kırmızıya doğru kaymasıdır. Bu fenomen Doppler etkisinin, yerçekimsel kırmızıya kaymanın veya bunların kombinasyonlarının bir ifadesi olabilir. Hem Evrendeki uzayın genişlemesinin neden olduğu kozmolojik kırmızıya kayma, hem de galaksilerin doğru hareketi nedeniyle Doppler etkisiyle ilişkili kırmızıya (veya mora) kayma, galaktik spektrumdaki çizgilerin kaymasına katkıda bulunur.

Uzak galaksilerin spektrumlarında kırmızıya kaymanın keşfedilmesinin ardından, bunun "seyahat yorgunluğu" gibi bir şeyden kaynaklandığı öne sürüldü: Bilinmeyen bir süreç, fotonların ışık kaynağından uzaklaştıkça enerji kaybetmesine ve dolayısıyla "kırmızıya dönmesine" neden oluyor.

Ancak bu hipotez gözlemlerle uyuşmuyor. Örneğin bir yıldız süpernova olarak patladığında parlar ve sonra söner. Galaksilere olan mesafeyi belirlemek için kullanılan Tip 1a süpernovalarının bozunma süresi yaklaşık iki haftadır. Bu süre zarfında belirli sayıda foton yayılır. "Yorgunluk" hipotezi, yolculuk sırasında enerji kaybedeceklerini, ancak gözlemcinin yine de iki hafta süren bir foton akışı göreceğini söylüyor. Genişleyen bir alanda, yalnızca fotonların kendisi "gerilir" (bundan dolayı enerji kaybederler) aynı zamanda akışları da olur. Bu nedenle hepsinin Dünya'ya "ulaşması" iki haftadan fazla sürüyor.

Kozmolojide mesafeyle ilgili iki sorun vardır: Her şey birbirinden çok uzaktadır ve hızlı hareket eder. Işık kaynaktan gözlemciye ulaşırken mesafeleri büyük ölçüde değişecektir. Aynı zamanda “şu anda” nesnelere olan mesafe ölçülemez doğrudan ölçüm Bu prosedür, sinyal yayılımıyla ilgili olarak sınırlı (ve genel anlamda oldukça büyük) bir zaman aldığından, uzaktaki nesneleri oldukları gibi görmeyiz. şu an. Bu her şeyi karmaşık hale getiriyor, çünkü günlük deneyimleri kullanarak her şeyi "şimdi olduğu gibi" hayal etmeye alışkınız. Kozmolojide, mesafeleri ve hızları yalnızca belirli bir model çerçevesinde "şu anda" hesaplayabilir veya bunları "dolambaçlı bir şekilde" elde edebiliriz, ancak bunu modern yöntemler gözlemler.

Evren genişledikçe gözlemlenebilir bölgesinin yarıçapı artık 14 milyar ışıkyılından fazladır. Işık ilerledikçe kat ettiği alan genişler. Bize ulaştığında, onu yayan galaksiye olan mesafe, fotonun "yolculuk" süresinden (yaklaşık olarak saniye) hesaplanandan daha büyük olur.

Pek çok insan dünün olaylarını önceki günden daha iyi hatırlıyor ama bir hafta öncesini hiç hatırlamıyor. Ancak çocukluk ve gençlikle ilgili bazı anılar sanki her şey dün olmuş gibi parlıyor gözlerinde. Bizimki gibi bir galaksiyi ele alırsak, belli bir mesafeye kadar (ve uzaktaki nesnelere bakarken geçmişe bakıyoruz!) giderek daha küçük görüneceği ortaya çıkıyor. Ama sonra - bakalım! - görünür boyut artmaya başlayacaktır. Bunun nedeni, gözlemlenen galaksiden gelen ışığın, Evren gençken, biz çok daha yakındayken yayılmış olmasıdır. Buna göre uzaktaki nesnelere olan açısal mesafe de aynı şekilde tuhaf bir şekilde değişir. Işık ışınları “düz” bir evrende yayıldıkça aralarındaki açı değişmez. Bu nedenle, bir uzay nesnesine olan açısal mesafe yalnızca onun emisyon anında ne kadar uzakta olduğuna bağlıdır.

Uygun mesafe nesneler arasındaki fiziksel mesafedir. Evrenin genişlemesine göre değişir. Genellikle tüm yazı ve haberlerde bahsedilen mesafe, ışığın yayıldığı andan itibaren kaynaktan aldığı yola eşittir. Nispeten kısa mesafelerde yaklaşık olarak kendisine eşittir; sinyalin yayılması sırasında Evrenin gözle görülür şekilde genişlemek için zamanı yoktu. Eşlik eden koordinatlar, Evrenin genişlemesiyle birlikte genişleyen bir koordinat ızgarasına bağlıdır. Nesnelerin ona göre konumu değişmezken, aralarındaki uygun mesafeler ölçek faktörünün değişmesine göre artar. Açısal mesafenin radyasyonun yayıldığı andaki gerçek mesafeye eşit olması önemlidir.

Ufuk şimdiye kadar "yeryüzünün gökyüzüyle buluştuğu çizgi" olarak yükselmişti. Evren hakkındaki anlayışımız geliştikçe, bilim adamlarının sözlüğünde, ulaşılması mümkün olmayan daha fazla "ufuk" ortaya çıkmaya başladı (sadece dünyamızdaki mümkün olan maksimum hızın ışık hızıyla sınırlı olması nedeniyle). Parçacık ufku, yarıçapı en uzak kaynağa olan mesafeyle belirlenen, prensip olarak belirli bir anda gözlemlenebilen genişleyen bir küredir (fotonun alındığı anda nesneye olan kendi mesafesinden bahsediyoruz) ve emisyon anında değil). Böyle bir ufuk, ışık hızının genişleme başladıktan sonraki zamanla çarpımı olarak tanımlanamaz, çünkü foton hareket ederken evren de genişlemektedir. Ancak evrenin evriminde çok erken olmayan bir anda ortaya çıkan galaksiler gibi parçacıklardan bahsediyorsak, o zaman böyle bir ufuk aynı zamanda hızlanan modellerde de olacaktır. Aynı zamanda Evrenimizde de mevcuttur. Olay ufkuna olan mesafe, şu anda gönderdiğimiz ışık sinyalimizin parçacığa (şu anda) ulaşabileceği mesafedir. Galaksileri 1,8 civarında kırmızıya kaymada gözlemliyoruz. Bu tür galaksilerden gelen ışığın bize ulaşması 10 milyar yıl alıyor.

Emisyon anında bizden 5,7 milyar ışıkyılı uzaktaydılar (emisyon anında kendi mesafeleri). Şimdi 16,1 milyar ışıkyılı uzaklıktalar (şu anda kendi mesafeleri) ve onlara gönderdiğimiz sinyal, gelecekte Evrenin dinamikleri temelden değişmedikçe onlara asla ulaşamayacak. Tam tersine, artık içlerinde meydana gelen olayları asla görmeyeceğiz.

Olay ufkuna olan mesafenin şu anda bu tür galaksilere olan mesafeye karşılık geldiği ortaya çıktı, ancak onları artık uzak geçmişteki halleriyle görüyoruz! Bu anlamda olay ufkunu göremeyeceğiz ancak konumunun şuna karşılık geldiğini söyleyebiliriz: Mevcut durum kırmızıya kayma 1.8'de gözlemlediğimiz galaksiler. Hubble yasasına göre uzaktaki nesnelerin uzaklaşma hızı, mesafeleriyle doğru orantılıdır. Burada şu anda kişinin kendi mesafesinin değişim hızından bahsediyoruz.

Uzaklaşma hızının ışık hızına eşit olduğu mesafeye “Hubble küresi” adı veriliyor. Hem yayılma anında hem de şu anda sınırlarının dışında olan, yani kaçış hızları hem o zaman hem de şimdi ışık hızından daha yüksek olan kaynaklar var.

Mevcut kozmolojik modelde (yaklaşık %70'lik karanlık enerji katkısıyla), kırmızıya kayması yaklaşık 1,5'tan büyük olan tüm gözlemlenen kaynaklar şu anda bizden ışık hızından daha hızlı uzaklaşıyor. Yani birbirinden uzak mesafelerde bulunan noktaların bağıl hızları ışık hızıyla sınırlı değildir.

Zamanda başlangıcı olan varsayımsal bir durağan evrende, parçacık ufku ışık hızında genişleyen bir küredir. Bu dünyanın "yaradılışından" 5 milyar yıl sonra galaksilerden birinde bir gözlemci belirirse, onun için bu parçacık ufku, yarıçapı 5 milyar ışıkyılı olan bir küreye dönüşecektir. Bir milyar yıl sonra yarıçapı 6 milyar ışıkyılı olacak vb.

İlk fotonun “sıfır zamanda” yayıldığını hayal edelim. Işık hızına eşit olan hareket hızına uzayın genişleme hızı da eklenir. Evrenin varlığı sırasında, bu foton emisyon yerinden 46 milyar ışıkyılı mesafeye uzaklaştı (yaklaşık 13,7 milyar ışıkyılı "kendi başına" uçtu, geri kalanı Evrenin genişlemesi nedeniyle). Yani genişleme hızı dikkate alınmasaydı bu mesafeyi kat etmesi 46 milyar yıl alırdı. SPK, Evren 380 bin yaşındayken ortaya çıktı. Buna eşlik eden kırmızıya kayma ise 1089'dur. Günümüzde bu radyasyonu yayan kaynağa olan uygun mesafe neredeyse 46 milyar ışıkyılıdır.

Gözlemci dünyasının yalnızca sınırlı bir kısmını görebilir. Parçacıkların mevcut ufkunun ötesinde Evrenin nasıl olduğunu bilmemiz mümkün değil. Uzay artan bir hızla genişlemeye devam ederse, uzak gelecekte bile parçacık ufkunun ötesinde Evrenin nasıl göründüğünü kontrol etmek imkansız olacaktır. Ve teleskoplarımız, uzayın plazma ile dolu olduğu ve serbest fotonların bulunmadığı bir döneme “bakamaz”.

Sergei RYABOSHAPKO, Samara tarafından hazırlanan, Sergei Popov ve Alexey Toporensky'nin materyallerine dayanmaktadır.

EVE

Evrende en bol bulunan enerji formunun aynı zamanda en gizemli olması da doğanın bir ironisi. Evrenin giderek hızlanan genişlemesinin şaşırtıcı keşfinden sonra, evrenin 2/3'ünün "karanlık enerjiden", yani yerçekimsel olarak itici bir tür malzemeden "yapıldığını" gösteren tutarlı bir tablo hızla ortaya çıktı. Peki kanıtlar bu egzotik yeni doğa yasalarını destekleyecek kadar ikna edici mi? Belki bu sonuçların daha basit astrofiziksel açıklamaları vardır?

Bu notun prototipi yakın zamanda Habr'ın popüler bilim bölümünde yayınlandı, ancak kilit altındaydı, dolayısıyla belki de ilgilenen herkes bunu anlamamıştı. Bu versiyonda herkesin ilgisini çekmesi gereken oldukça önemli eklemeler yapıldı.

Karanlık enerjinin tarihi, 1998 yılında iki bağımsız ekibin uzaktaki süpernovaları keşfetmesiyle başladı. Evrenin genişleme hızının yavaşladığını tespit etmek için. Bunlardan biri olan Süpernova Kozmoloji Projesi, 1988 yılında çalışmalarına başladı ve Saul Perlmutter tarafından yönetildi. Brian Schmidt High-z Süpernova Arama Ekibi liderliğindeki bir diğeri, araştırmaya 1994 yılında katıldı. Sonuç onları şok etti: Evren oldukça uzun bir süredir hızlandırılmış genişleme modundaydı.

Dedektifler gibi dünyanın dört bir yanındaki kozmologlar da hızlanmanın sorumlusu olan sanıklarla ilgili bir dosya hazırlıyorlardı. Özel özellikleri: yerçekimsel olarak iticidir, galaksilerin oluşumunu engeller (maddenin galaksiler halinde kümelenmesi), uzay-zamanın uzamasında kendini gösterir. Sanığın lakabı “karanlık enerji”. Pek çok teorisyen, sanığın kozmolojik bir sabit olduğunu öne sürdü. Kesinlikle hızlandırılmış genişleme senaryosuna tekabül ediyordu. Peki karanlık enerjiyi kozmolojik sabitle tam olarak özdeşleştirecek yeterli kanıt var mıydı?

Yerçekimi itici karanlık enerjinin varlığı, temel fizik açısından dramatik sonuçlar doğuracaktır. En ihtiyatlı varsayım, Evrenin homojen bir sıfır noktası kuantum enerjisi deniziyle veya kütlesi bir elektronun $((10)^(39))$ katı kadar daha az olan yeni parçacıkların yoğunlaşmasıyla dolu olduğuydu. Bazı araştırmacılar ayrıca genel görelilikte değişiklik yapılmasının, özellikle de kütle çekiminin etkisini zayıflatacak yeni uzun menzilli kuvvetlerin gerekliliğini öne sürdü. Ancak en muhafazakar önerilerin bile ciddi eksiklikleri vardı. Örneğin, sıfır noktası enerji yoğunluğunun teorik tahminlerden 120 kat daha az olduğu ortaya çıktı. Bu aşırı varsayımlar açısından bakıldığında, geleneksel astrofizik kavramları çerçevesinde bir çözüm aramak daha doğal görünüyordu: galaksiler arası toz (fotonların onun üzerine saçılması ve buna bağlı olarak foton akışının zayıflaması) veya yeni ile yeni arasındaki fark. ve eski süpernovalar. Bu olasılık geceleri nöbet tutan birçok kozmolog tarafından da desteklenmektedir.

S. Perlmutter, B. Schmidt ve A. Riess tarafından yürütülen süpernova gözlemleri ve analizleri, parlaklıklarındaki mesafenin azalmasının, o dönemde kabul edilen kozmolojik modellere göre beklenenden çok daha hızlı gerçekleştiğini açıkça ortaya koydu. Daha yakın zamanlarda bu keşif not edildi. Bu ilave karartma, belirli bir kırmızıya kaymanın etkili bir mesafe ilavesine karşılık geldiği anlamına gelir. Ancak bu da ancak kozmolojik genişleme ivmeyle gerçekleştiğinde mümkündür, yani. Işık kaynağının bizden uzaklaşma hızı zamanla azalmaz, aksine artar. Yeni deneylerin en önemli özelliği, yalnızca hızlandırılmış genişleme gerçeğini belirlemeyi değil, aynı zamanda çeşitli bileşenlerin Evrendeki madde yoğunluğuna katkısı hakkında önemli bir sonuca varmayı da mümkün kılmalarıydı.

Yakın zamana kadar süpernovalar, hızlandırılmış genişlemenin tek doğrudan kanıtıydı ve karanlık enerjinin tek ikna edici desteğiydi. Doğru ölçümler WMAP (Wilkinson Mikrodalga Anizotropi Probu) verilerini içeren Kozmik Mikrodalga Arka Plan (CMB) verileri, karanlık enerjinin gerçekliğinin bağımsız olarak doğrulanmasını sağladı. Aynı şey iki güçlü projeden elde edilen verilerle de doğrulandı: Evrendeki galaksilerin büyük ölçekli dağılımı ve Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması (SDSS).

WMAP, SDSS ve diğer kaynaklardan elde edilen verilerin bir kombinasyonu, karanlık enerjinin ürettiği yerçekimsel itmenin, Evrendeki süper yoğun madde bölgelerinin çöküşünü yavaşlattığını ortaya çıkardı. Karanlık enerjinin gerçekliği anında çok daha kabul edilebilir hale geldi.

Uzay genişletme

Kozmik genişleme, 1920'lerin sonlarında Edwin Hubble tarafından keşfedildi ve Evrenimizin en önemli özelliği olabilir. Astronomik cisimler yalnızca komşularının yerçekimsel etkileşiminin etkisi altında hareket etmekle kalmaz, aynı zamanda büyük ölçekli yapılar kozmik genişleme nedeniyle daha da gerilir. Popüler bir benzetme, kuru üzümlerin fırında çok büyük bir pastanın içindeki hareketidir. Pasta büyüdükçe pastanın içine gömülen kuru üzüm çiftleri arasındaki mesafe artar. Belirli bir vurgunun galaksimizi temsil ettiğini hayal edersek, diğer tüm vurguların (galaksilerin) bizden her yöne doğru uzaklaştığını görürüz. Evrenimiz, Büyük Patlama'nın yarattığı sıcak, yoğun kozmik çorbadan, bugün gördüğümüz çok daha soğuk, daha ince galaksiler ve galaksi kümeleri koleksiyonuna doğru genişledi.

Uzak galaksilerdeki yıldızlar ve gazlar tarafından yayılan ışık da benzer şekilde uzar ve Dünya'ya giderken dalga boyu uzar. Dalga boyundaki bu kayma kırmızıya kayma $z=\left(\lambda_(obs)-\lambda_0\right)/\lambda_0$ tarafından verilir; burada $\lambda_(obs)$ Dünya'daki ışığın uzunluğu ve $\lambda_ (0) $ yayılan ışığın dalga boyudur. Örneğin, hidrojen atomundaki Lyman alfa geçişi, $\lambda_0=121.6$ nanometre (temel duruma geri dönerken) dalga boyuyla karakterize edilir. Bu geçiş uzak galaksilerin radyasyonunda tespit edilebilir. Özellikle, rekor düzeyde yüksek bir kırmızıya kaymayı tespit etmek için kullanıldı: $\lambda_(obs)=1337.6$ nanometrede Lyman alfa çizgisiyle çarpıcı bir z=10. Ancak kırmızıya kayma, yalnızca ışığın yayılması ve soğurulması sırasında kozmik ölçekteki değişimi tanımlar ve yayıcıya olan mesafe veya ışığın yayıldığı evrenin yaşı hakkında doğrudan bilgi sağlamaz. Hem nesneye olan uzaklığı hem de kırmızıya kaymayı bilirsek, Evrenin genişleme dinamikleri hakkında önemli bilgiler elde etmeye çalışabiliriz.

Süpernova gözlemleri, Evrenin ivmesini kontrol eden bazı yerçekimsel itici maddeleri ortaya çıkardı. Bu, gökbilimcilerin eksik madde sorunuyla ilk karşılaşması değil. Galaksilerin aydınlık kütlelerinin, yerçekimi kütlelerinden önemli ölçüde daha küçük olduğu ortaya çıktı. Bu fark, muhtemelen çoğunlukla atomlar ve ışıkla zayıf etkileşime giren parçacıklardan oluşan soğuk, göreceli olmayan madde olan karanlık maddeden kaynaklanıyordu.

Ancak gözlemler, karanlık madde de dahil olmak üzere Evrendeki toplam madde miktarının, toplam enerjinin yalnızca 1/3'ü olduğunu gösterdi. Bu, 2DF ve SDSS projeleri kapsamında milyonlarca galaksinin incelenmesiyle doğrulandı. Ancak genel görelilik, genişleme ile evrenin enerji içeriği arasında kesin bir ilişki olduğunu öngörüyor. Bu nedenle, tüm fotonların, atomların ve karanlık maddenin toplam enerji yoğunluğunun, Hubble sabiti $H_(0)$: $((\rho)_(crit))=3H_( tarafından belirlenen bazı kritik değere eklenmesi gerektiğini biliyoruz. 0 )^(2)/8\pi\cdot(G)$. Sorun şu ki öyle değil, ama bu tamamen farklı bir hikaye.

Kütle, enerji ve uzay-zaman eğriliği genel görelilikte doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle bir açıklama, kritik yoğunluk ile gözlemlenen madde yoğunluğu arasındaki boşluğun, büyük ölçeklerde uzayın deformasyonuyla ilişkili ve yalnızca $c/((H) düzeyindeki ölçeklerde gözlemlenebilen bir miktar enerji yoğunluğu tarafından doldurulması olabilir. _(0)) \sim 4000\ Mpc$. Neyse ki Evrenin eğriliği hassas ICF ölçümleri kullanılarak belirlenebilir. Kaynağı Büyük Patlama'dan 400.000 sonra olan bir kalıntı olan ICF, kaynağı ilksel plazma olan kara cisim radyasyonudur. Evren 3000 $'ın altına soğuduğunda, plazma fotonlara karşı şeffaf hale geldi ve fotonlar uzayda serbestçe yayılabilir hale geldi. Bugün, neredeyse 15 milyar yıl sonra, kozmik genişleme nedeniyle kırmızıya kaymanın sonucunu temsil eden 2,726$\K$ sıcaklıkta bir foton termal rezervuarı gözlemliyoruz.

WMAP uydusu kullanılarak ICF'nin dikkat çekici bir görüntüsü elde edildi ve "gökyüzünün" foton sıcaklığındaki en ufak değişiklikleri gösteriyor. ICF anizotropisi olarak bilinen bu değişiklikler, erken Evrenin yoğunluğundaki ve hareketindeki küçük değişiklikleri yansıtır. $((10)^(-5))$ düzeyinde ortaya çıkan bu varyasyonlar, bugün gözlemlediğimiz büyük ölçekli yapının (galaksiler, kümeler) tohumlarıdır.

Kozmik mikrodalga arka planındaki en soğuk/en sıcak noktalar, en yüksek/en az yoğunluktaki çekim potansiyeline sahip alanlardan kaçan fotonlardan kaynaklanmaktadır. Bu bölgelerin boyutları plazma fiziği tarafından iyi bir şekilde belirlenmektedir. Evrenin tamamını ele aldığımızda, eğer Evren enerji boşluğunu doldurmaya yetecek kadar eğriliğe sahipse, bu anizotropilerin görünen açısal boyutu yaklaşık $((0.5)^(0))$ olmalıdır ve herhangi bir eğrilik olmadığında açısal boyutun iki katı olmalıdır. boşluk. Bu geometrik etkiyi görselleştirmenin en kolay yolu, sabit bir tabanı ve kenarları (sadece kenarları?) olan, değişen eğriliğe sahip yüzeyler üzerine çizilmiş bir üçgen hayal etmektir. Bir eyer yüzeyi/küre için iç açılar, düz bir yüzeye (Öklid geometrisi ile) çizilen aynı üçgenden daha küçük/daha büyük olacaktır.

1999'dan bu yana, MCF noktalarının $((1)^(0))$ mertebesinde boyutlara sahip olduğunu gösteren bir dizi deney (TOCO, MAXIMA, BOOMERANG, WMAP) gerçekleştirilmiştir. Bu, Evrenin geometrisinin düz olduğu anlamına gelir. Kayıp enerji sorunu açısından bakıldığında bu, boşluğun doldurulmasından eğrilikten başka bir şeyin sorumlu olması gerektiği anlamına gelir. Bazı kozmologlara göre bu sonuç deja vu gibi görünüyordu. ICF'nin ilksel dalgalanmaların kökenine ilişkin en iyi teorisi olan enflasyon, evrenin en erken dönemlerinde, inflaton adı verilen bir parçacık tarafından yönlendirilen, hızlandırılmış bir genişleme dönemi yaşadığını öne sürüyor. Şişme, herhangi bir büyük ölçekli eğriliği uzatarak evrenin geometrisini düz veya Öklidyen hale getirecektir. Kanıtlar, gökada kümelenmesini engelleyen, yerçekimsel olarak itici olan ve şişme dışında bir parçacıktan kaynaklanabilecek bir enerji biçiminin varlığını öne sürüyor.

Kozmik uyum

CMB ve süpernova verileri, kozmik ivmenin kaynağının karanlık enerji olduğunu tutarlı bir şekilde doğruladı. Ama bu yalnızca başlangıçtı. Astrofizikçiler, WMAP'tan elde edilen hassas ICF ölçümlerini büyük ölçekli madde dağılımlarının radyo, optik ve X-ışını algılamasıyla birleştirerek, Evrenin artan genişleme hızına dair daha fazla kanıt elde ettiler. Evrendeki yoğunluk ve sıkışmanın yerçekimi potansiyeli deliklerinin, sanki itici yerçekiminin etkisi altındaymış gibi zamanla gerildiği ve düzeldiği ortaya çıktı. Bu etki integral etkisi (Sachs-Wolfe (ISW)) olarak bilinir. Bu, CMB'deki sıcaklık anizotropisi ile Evrenin büyük ölçekli yapısı arasında bir korelasyona yol açar. Her ne kadar Evren soğudukça ilkel plazma fotonlara karşı şeffaf hale gelse de, fotonlar engellenmeden hareket etmiyor. Uzay, kısa mesafelerde (maddenin yıldızlara, galaksilere ve bulutsulara kümelendiği) güçlü olan ve büyük ölçeklerde yavaş yavaş zayıflayan düzensizliklerle doludur... Uçuşları sırasında, fotonlar yerçekimsel deliklere girip çıkarlar.

Kozmik ışınlar ilk kez tespit edildikten sonra (yaklaşık 40 yıl önce), Sachs ve Wolff, zamanla değişen bir potansiyelin, içinden geçen fotonların ICF'sinde bir enerji değişimine yol açması gerektiğini gösterdi. Bir foton, çekim deliğine düştüğünde enerji kazanır ve oradan çıktığında harcar. Bu işlem sırasında potansiyel daha da derinleşirse, foton bir bütün olarak enerji kaybedecektir. Potansiyel sığlaşırsa foton enerji kazanır.

Kritik yoğunluğun tamamının yalnızca atomlar ve karanlık madde tarafından oluşturulduğu bir Evrende, çok büyük uzaysal ölçeklerdeki (madde yoğunluğunun hafif dalgalarına karşılık gelen) zayıf kütleçekim potansiyelleri, ICF fotonlarında gözle görülür izler bırakamayacak kadar yavaş gelişir. Daha yoğun bölgeler, kozmik genişlemenin dalgaları uzattığı oranda çevredeki maddeyi emer ve potansiyeli değiştirmez. Ancak Evren'in karanlık enerji nedeniyle daha hızlı genişlemesi nedeniyle madde birikimi, esnemeyle yarışamaz. Yerçekimsel çöküş, itici karanlık madde tarafından etkili bir şekilde yavaşlatılır. Sonuç olarak, çekim potansiyeli düzleşme eğilimi gösterir ve fotonlar bu alanlardan geçerken enerji kazanır. Aynı şekilde fotonlar da düşük yoğunluklu bölgelerden geçerken enerji kaybederler. (Önemsiz değil!)

Negatif baskı

Kozmik ivmenin en büyük gizemi, evreni dolduran maddenin 2/3'ünün bizim için görünür olmadığını ima etmesi değil, maddenin varlığını kütleçekimsel itme ile dayatmasıdır. Karanlık enerjinin bu garip özelliğini dikkate almak için $w=((p)_(dark))/((\rho )_(dark))$ miktarını tanıtmak faydalıdır. Bu ifade bir gazın durum denklemine benzemektedir. Genel göreliliğe göre, kozmik genişlemenin değişim hızı $-\left(((\rho )_(total))+3((p)_(total)) \right)$ ile orantılıdır. Hızlandırılmış genleşme için bu değer pozitif olmalıdır. $((\rho )_(total))$ pozitif olduğundan ve sıradan ve karanlık maddenin ortalama basıncı ihmal edilebilir olduğundan (çünkü soğuktur ve göreli değildir), $3w\times ((\ rho )_(koyu ))+((\rho )_(toplam))

Basınç evrenin genişlemesini neden etkiler? Einstein madde ve enerjinin uzay-zamanı büktüğünü gösterdi. Bu nedenle, sıcak bir gaz için, atomlarının kinetik enerjisi, uzaktaki cisimlerin ivmesinin ölçülmesiyle ölçülen yerçekimi kuvvetlerine katkıda bulunur. Ancak gazı kontrol altına almak veya izole etmek için gereken kuvvetler bu aşırı basınca karşı çalışır. Öte yandan evren ne yalıtılmış ne de sınırlıdır. Sıcak gazla dolu uzayın genişlemesi, soğuk gazla dolu bir evrenin genişlemesinden etkili bir şekilde (kendi yerçekimi nedeniyle) daha yavaş gerçekleşecektir. Aynı mantıkla, $((\rho )_(total))+3p olacak kadar negatif basınçlı bir ortam

Negatif baskı öyle değil nadir bir olay. Bazı bölgelerde su basıncı uzun ağaçlar beslenme damar sistemi yoluyla arttıkça negatif hale gelir. Düzgün bir elektrik veya manyetik alanda, negatif basınçlı konfigürasyonlar da bulunabilir. Bu durumlarda basınç, iç kuvvetlerin neden olduğu gerilim altında gerilmiş bir yay gibidir. Mikroskobik seviyede, Higgs bozonlarının (parçacık kütlesini oluşturan varsayımsal parçacıklar) rezervuarı bulunur. Standart Model) termal veya kinetik uyarılmaları küçük olduğunda negatif basınç oluşturur. Aslında inflaton, Higgs bozonunun ağır bir versiyonu olarak düşünülebilir. Karanlık enerjinin önerilen bir versiyonu (özlülük) Higgs'in daha hafif bir versiyonu bile olabilir.

Prensip olarak Evrende basıncın alt sınırı yoktur. Her ne kadar $w$, $-1.$'dan daha düşük bir değere düşerse garip şeyler meydana gelse de, bu tür malzemenin izole edilmiş parçaları negatif kütleye sahip olabilir. …..Fakat bir şey açıktır. Genel göreliliğe göre normal parçacıklar ve alanlar için bu kadar güçlü bir negatif basınç oluşmaz. Çok sayıda gözlem, yukarıdaki genel akıl yürütmeye göre daha dar bir karanlık enerji parametreleri aralığına yol açmaktadır.

Çeşitli teorik modellerden elde edilen tahminler ile CMB'nin, büyük ölçekli yapıların ve süpernovaların en iyi gözlemlerinin birleşimi, $$\Omega_(dark)= 0,728^(+0,015)_(-0,016)$$ $$w= - sonucunu ortaya çıkarır 0,980\pm0,053 $ $

Karanlık Enerjinin Kısa Tarihi

Karanlık enerji veya ona benzer bir şey kozmoloji tarihinde birçok kez ortaya çıkmıştır. Pandora'nın kutusu, yerçekimi alanını denklemlerine dahil eden Einstein tarafından açıldı. Kozmik genişleme henüz keşfedilmemişti ve denklemler, maddeyi içeren Evrenin, genellikle $\Lambda$ ile gösterilen kozmolojik sabitin matematiksel olarak eklenmesi olmadan statik olamayacağını doğru bir şekilde "öneriyordu". Etki, Evreni, içinde yıldızların ve bulutsuların sürüklendiği bir negatif enerji deniziyle doldurmaya eşdeğerdir. Uzantının keşfi, teoriye bu özel ekleme ihtiyacını ortadan kaldırdı.

Sonraki yıllarda, umutsuz teorisyenler yeni astronomik olguları açıklamak amacıyla periyodik olarak $\Lambda$'ı tanıttılar. Bu geri dönüşler her zaman kısa ömürlü oldu ve genellikle elde edilen veriler için daha makul açıklamalarla sonuçlandı. Ancak 60'lı yıllardan itibaren tüm parçacıkların ve alanların vakum (sıfır) enerjisinin kaçınılmaz olarak $\Lambda$'a benzer bir terim üretmesi gerektiği fikri ortaya çıkmaya başladı. Ayrıca kozmolojik sabitin, Evrenin evriminin ilk aşamalarında doğal olarak ortaya çıkabileceğine inanmak için nedenler var.

1980 yılında enflasyon teorisi geliştirildi. Bu teoriye göre, erken Evren, hızlandırılmış bir üstel genişleme dönemi yaşadı. Genişleme, yeni parçacıktan kaynaklanan negatif basınçtan kaynaklanıyordu - . Inflaton çok başarılı olduğunu kanıtladı. Çok izin verdi. Bu paradokslar arasında ufuk sorunları ve Evrenin düzlüğü yer alıyor. Teorinin tahminleri çeşitli kozmolojik gözlemlerle iyi bir uyum içindeydi.

Karanlık enerji ve Evrenin geleceği

Karanlık enerjinin keşfiyle birlikte Evrenimizin uzak geleceğinin nasıl olabileceğine dair fikirler çarpıcı biçimde değişti. Bu keşiften önce gelecek sorunu açıkça üç boyutlu uzayın eğriliği sorunuyla ilişkilendiriliyordu. Daha önce birçok kişinin inandığı gibi, uzayın 2/3 oranında eğriliği Evrenin mevcut genişleme hızını belirlediyse ve karanlık enerji yoksa, o zaman Evren sınırsız genişleyecek ve yavaş yavaş yavaşlayacaktır. Artık geleceğin karanlık enerjinin özellikleri tarafından belirlendiği açıktır.

Bu özellikleri artık yeterince bilmediğimiz için geleceği henüz tahmin edemiyoruz. Kişi yalnızca düşünebilir farklı varyantlar. Yeni ciddiyetle teorilerde ne olduğunu söylemek zor ama artık başka senaryolar tartışılabilir. Eğer karanlık enerji, boşluk enerjisinde olduğu gibi zaman içinde sabitse, o zaman Evren her zaman hızlandırılmış bir genişleme yaşayacaktır. Galaksilerin çoğu eninde sonunda bizimkinden muazzam bir mesafeye uzaklaşacak ve galaksimiz, birkaç komşusuyla birlikte boşlukta bir adaya dönüşecek. Eğer karanlık enerji çok önemliyse, uzak gelecekte hızlanan genişleme durabilir ve hatta yerini sıkışmaya bırakabilir. İkinci durumda, Evren sıcak ve yoğun madde durumuna dönecek, zamanda geriye doğru bir “Tersine Büyük Patlama” meydana gelecektir.

Evrenimizin enerji bütçesi. Tanıdık maddenin (gezegenler, yıldızlar, çevremizdeki tüm dünya) payının yalnızca yüzde 4'ü oluşturduğuna, geri kalanının "karanlık" enerji biçimlerinden oluştuğuna dikkat etmek önemlidir.

Karanlık enerjinin bir hayalet olması ve enerji yoğunluğunun sınırsız şekilde artması durumunda Evren'i daha da dramatik bir kader beklemektedir. Evrenin genişlemesi giderek daha hızlı olacak, o kadar hızlanacak ki galaksiler kümelerden, yıldızlar galaksilerden, gezegenler galaksilerden kopacak. Güneş Sistemi. Elektronların atomlardan kopacağı, atom çekirdeklerinin proton ve nötronlara bölüneceği noktaya gelecek. Dedikleri gibi büyük bir kırılma olacak.

Ancak böyle bir senaryo pek olası görünmüyor. Büyük olasılıkla hayaletin enerji yoğunluğu sınırlı kalacaktır. Ancak o zaman bile Evren alışılmadık bir gelecekle karşı karşıya kalabilir. Gerçek şu ki, birçok teoride hayalet davranışa (zamanla enerji yoğunluğundaki artış) istikrarsızlıklar eşlik ediyor. Bu durumda, Evrendeki hayalet alan son derece homojen olmayan bir hale gelecek ve enerji yoğunluğu farklı parçalar Evren farklı olacak, bazı kısımları hızla genişleyecek, bazı kısımları ise çöküş yaşayabilecek. Galaksimizin kaderi hangi bölgeye düştüğüne bağlı olacaktır.

Ancak tüm bunlar, kozmolojik standartlara göre bile uzak olan gelecekle ilgilidir. Önümüzdeki 20 milyar yıl içinde Evren neredeyse şimdikiyle aynı kalacak. Karanlık enerjinin özelliklerini anlamak ve dolayısıyla geleceği daha kesin bir şekilde tahmin etmek ve belki de onu etkilemek için zamanımız var.

Uzak Evren'e baktığımızda her yerde, her yönde, milyonlarca hatta milyarlarca ışık yılı uzakta galaksiler görüyoruz. Gözlemleyebildiğimiz iki trilyon galaksi olduğundan, bunların ötesindeki her şeyin toplamı, en çılgın hayal gücümüzden daha büyük ve daha soğuktur. En iyilerinden biri ilginç gerçekler gözlemlediğimiz tüm galaksilerin (ortalama olarak) aynı kurallara uymasıdır: bizden ne kadar uzaklarsa bizden o kadar hızlı uzaklaşırlar. Edwin Hubble ve meslektaşlarının 1920'lerde yaptığı bu keşif, bizi genişleyen bir evren resmine götürdü. Peki ya genişlerse? Bilim biliyor ve artık siz de bileceksiniz.

İlk bakışta bu soru sağduyulu bir soru gibi görünebilir. Çünkü genişleyen her şey genellikle maddeden oluşur ve Evrenin uzayında ve zamanında var olur. Ancak Evrenin kendisi, madde ve enerjiyi kendi içinde barındıran uzay ve zamandır. “Evren genişliyor” derken, uzayın kendisinin genişlemesini, bireysel galaksilerin ve galaksi kümelerinin birbirinden uzaklaşmasına neden olmasını kastediyoruz. Ethan Siegel, bunun en kolay yolunun, fırında pişirilen, içinde kuru üzüm bulunan bir hamur topu hayal etmek olacağını söylüyor.

Uzay genişledikçe göreceli mesafelerin arttığı Evrenin genişleyen bir "topuz" modeli

Bu hamur uzayın dokusudur ve kuru üzümler birbirine bağlı yapılardır (galaksiler veya galaksi kümeleri gibi). Herhangi bir kuru üzüm açısından bakıldığında, diğer tüm kuru üzümler ondan uzaklaşacaktır ve ne kadar uzakta olurlarsa o kadar hızlı olurlar. Ancak Evren söz konusu olduğunda hamurun dışında fırın ve hava yoktur, yalnızca hamur (boşluk) ve kuru üzüm (madde) vardır.

Kırmızıya kaymayı yaratan sadece uzaklaşan galaksiler değil, aramızdaki boşluktur.

Galaksilerin uzaklaşmadığını, bu alanın genişlediğini nasıl biliyoruz?

Sizden her yöne doğru uzaklaşan nesneler görüyorsanız, bunu açıklayabilecek tek bir neden vardır: Bu nesnelerle aranızdaki boşluk genişliyordur. Ayrıca patlamanın merkezine yakın olduğunuzu ve birçok nesnenin daha uzakta olduğunu ve patlamadan daha fazla enerji aldıkları için daha hızlı uzaklaştığını da varsayabilirsiniz. Eğer durum böyle olsaydı, bunu iki şekilde kanıtlayabilirdik:

• Daha uzak mesafelerde ve yüksek hızlarda daha az gökada olacak çünkü zamanla uzayda büyük ölçüde yayılacaklar.
• Kırmızıya kayma ve uzaklık arasındaki ilişki, daha uzak mesafelerde belirli bir şekil alacaktır; bu, uzayın dokusunun genişlemesi durumundaki şekilden farklı olacaktır.

Çok uzak mesafelere baktığımızda, Evrenin daha uzaklarındaki galaksilerin yoğunluğunun bize yakın olanlardan daha yüksek olduğunu görüyoruz. Bu, uzayın genişlediği bir tabloyla tutarlıdır çünkü daha uzağa bakmak, daha az genişlemenin meydana geldiği geçmişe bakmakla aynı şeydir. Ayrıca uzak galaksilerin, uzayın genişlemesiyle tutarlı bir kırmızıya kayma-uzaklık oranına sahip olduğunu da bulduk; eğer galaksiler bizden hızla uzaklaşıyorsa, hiç de öyle değil. Bilim bu soruyu iki şekilde yanıtlayabilir. Farklı yollar ve her iki cevap da Evrenin genişlemesini desteklemektedir.

Evren her zaman aynı oranda mı genişledi?

Biz buna Hubble sabiti diyoruz ama o yalnızca uzayda sabittir, zamanda değil. Evren şu anda geçmişe göre daha yavaş genişliyor. Genişleme hızından bahsettiğimizde birim mesafe başına hızdan bahsediyoruz: bugün yaklaşık 70 km/s/Mpc. (Mpc bir megaparsektir, yaklaşık 3.260.000 ışıkyılıdır). Ancak genişleme hızı, madde ve radyasyon da dahil olmak üzere evrendeki tüm farklı şeylerin yoğunluklarına bağlıdır. Evren genişledikçe içindeki madde ve radyasyonun yoğunluğu azalır ve yoğunluk azaldıkça genişleme hızı da düşer. Evren geçmişte daha hızlı genişledi ve Büyük Patlama'dan bu yana yavaşladı. Hubble sabiti yanlış bir isimdir; Hubble parametresi olarak adlandırılmalıdır.

Evrenin uzak kaderi farklı olasılıklar sunuyor ancak verilerin önerdiği gibi karanlık enerji gerçekten sabitse kırmızı eğriyi takip edeceğiz

Evren sonsuza kadar genişleyecek mi, yoksa duracak mı?

Birkaç kuşak astrofizikçi ve kozmolog bu soru üzerinde kafa yormuştur ve bu soru yalnızca Evrenin genişleme hızının ve içinde mevcut olan tüm enerji türlerinin (ve miktarlarının) belirlenmesiyle yanıtlanabilir. Evrenin genişleme hızının yanı sıra ne kadar sıradan madde, radyasyon, nötrino, karanlık madde ve karanlık enerjinin bulunduğunu zaten başarıyla ölçtük. Fizik kanunlarına ve geçmişte yaşananlara bakıldığında evrenin sonsuza kadar genişleyeceği anlaşılıyor. Bunun olasılığı %100 olmasa da; eğer karanlık enerji gibi bir şey gelecekte geçmişe ve şimdiye göre farklı davranırsa, tüm sonuçlarımızın yeniden gözden geçirilmesi gerekecektir.

Galaksiler ışık hızından daha hızlı mı hareket ediyor? Bu yasak değil mi?

Bizim açımızdan uzak noktayla aramızdaki boşluk genişliyor. Bizden ne kadar uzaksa, bize o kadar hızlı uzaklaşıyormuş gibi geliyor. Genişleme hızı çok küçük olsa bile uzaktaki bir nesne bir gün herhangi bir hız sınırının eşiğini aşacaktır, çünkü genişleme hızı (birim mesafe başına hız) yeterli mesafeyle birçok kez katlanacaktır. OTO bu senaryoyu onaylıyor. Hiçbir şeyin ışık hızından daha hızlı gidemeyeceği yasası, uzayın genişlemesi için değil, yalnızca bir nesnenin uzaydaki hareketi için geçerlidir. Gerçekte galaksilerin kendisi saniyede yalnızca birkaç bin kilometrelik bir hızla hareket eder; bu, ışık hızının belirlediği 300.000 km/s sınırının çok altındadır. Durgunluğa ve kırmızıya kaymaya neden olan, galaksinin gerçek hareketi değil, Evrenin genişlemesidir.

Gözlemlenebilir evrende (sarı daire) yaklaşık 2 trilyon galaksi bulunmaktadır. Evrenin genişlemesi nedeniyle bu sınıra üçte birinden daha yakın olan galaksileri hiçbir zaman yakalayamayacağız. Evrenin hacminin yalnızca %3'ü insan keşfine açıktır.

Evrenin genişlemesi, genel görelilik yasalarına uyan madde ve enerjinin uzay-zamanı doldurmasının zorunlu bir sonucudur. Madde olduğu sürece kütleçekimsel çekim de vardır, yani ya kütleçekimi kazanır ve her şey yeniden büzülür ya da kütleçekimi kaybeder ve genişleme kazanır. Genişleme merkezi yoktur ve genişleyen uzayın dışında hiçbir şey yoktur; Genişleyen, Evrenin dokusudur. En ilginci, bugün Dünya'yı ışık hızıyla terk etsek bile gözlemlenebilir Evren'deki galaksilerin yalnızca %3'ünü ziyaret edebilecek olmamız; Bunların %97'si zaten ulaşamayacağımız yerde. Evren karmaşıktır.