Какие особенности были у модели лямбда
Диаграмма пирога, указывающая пропорциональный состав различных(других) компонентов плотности энергии вселенной. Примерно девяносто пять процентов - экзотический темный вопрос и темная энергия.
Связанные разделы Астрофизика Общая относительность Физика элементарных частиц
ΛCDM или Лямбда-CDM - сокращение для Холодного лямбдой Темного Вопроса. Это представляет текущую модель соответствия космологии большого взрыва, которая объясняет космические микроволновые второстепенные наблюдения, так же как крупномасштабные наблюдения структуры и наблюдения сверхновых звезд ускоряющегося расширения вселенной. Это - самая простая известная модель, которая находится в общем соглашении с наблюдаемыми(соблюденными) явлениями.
Λ (Лямбда) поддерживает космологическое постоянное(неизменное), которое является темным сроком(термином) энергии, который позволяет текущее ускорять расширение вселенной. Космологическое постоянное(неизменное) часто описывается в терминах ΩΛ, фракция(доля) плотности энергии плоской Вселенной в форме космологического постоянного(неизменного). В настоящее время , допущение 74 % плотности энергии существующей вселенной находится в этой форме. Холодный темный вопрос - модель, где темный вопрос объясняется как то, чтобы замерзнуть(то, чтобы быть холодное) (то есть не thermalized), non-baryonic, collisionless пыль. Этот компонент составляет 22 % из плотности энергии существующей вселенной. Остающиеся 4 % - весь вопрос и энергии, которая составляет атомы и фотоны, которые являются стандартными блоками планет, звезд, и газовых облаков во вселенной. Модель принимает(предполагает) почти инвариантный масштабом спектр исконных волнений и вселенной без пространственного искривления. Это также предполагает, что это не имеет никакой заметной топологии, так, чтобы вселенная явилась намного большей чем заметный горизонт частицы. Они - предсказания космической инфляции. Они - самые простые предположения для последовательной, физической модели космологии. Однако, ΛCDM - модель. Космологи ожидают, что все эти предположения не будут подтверждены точно, после больше изучен о применимой фундаментальной физике. В частности космическая инфляция предсказывает пространственное искривление на уровне 10−4 к 10−5. Также было бы удивительно, если бы температура темного вопроса была абсолютным нолем. Кроме того, ΛCDM не говорит ничто о фундаментальном физическом происхождении темного вопроса, темной энергии и почти инвариантного масштабом спектра исконных волнений искривления: в том смысле(чувстве), это - просто полезная параметризация невежества.
Параметры
Модель имеет шесть параметров. Постоянное(неизменное) Бульканье(Кочка) определяет норму(разряд) расширения вселенной, так же как критической плотности для закрытия вселенной, ρ0. Удельные веса для барионов, темного вопроса и темной энергии даются как Ωs, которые являются отношением истинной плотности к критической плотности: например Ωb = ρb / ρ0. Так как модель ΛCDM принимает(предполагает) плоскую вселенную, эта сумма удельных весов к одному, и плотность темной энергии не свободный параметр. Оптическая глубина к переионизации определяет красное изменение переионизации. Информация о колебаниях плотности определена амплитудой исконных колебаний (от космической инфляции) и спектрального индекса, который имеет размеры, как изменение(замена) колебаний с масштабом (не уточнено = 1 соответствует инвариантному масштабом спектру).
Цитируемые ошибки - 1 σ: то есть, есть статистически 68%-ая вероятность, что истинная ценность находится в пределах верхних и более низких ошибочных границ. Ошибки не являются Гауссовскими, и они были получены, используя цепь Маркова анализ Монте Карло Микроволновым сотрудничеством Исследования Анизотропии Wilkinson (Spergel и др. 2006), который также использует Цифровой Обзор Неба Sloan и Печатать данные сверхновой звезды Ia.
Параметр Ценность Описание Основные(Элементарные) параметры H0 км s-1 Mpc-1 Параметр бульканья(кочки) Ωb Плотность бариона Ωm Полная плотность вопроса (барионы + темный вопрос) τ Оптическая глубина к переионизации Как Скалярная амплитуда колебания не уточнено Скалярный спектральный индекс Полученные параметры ρ0 кг\м3 Критическая плотность ΩΛ Темная плотность энергии Сион Красное смещение переионизации σ8 Амплитуда колебания галактики t0 годы Возраст вселенной
Расширенные модели
Возможные расширения(продления) самой простой "ванили" ΛCDM модель должны позволить квинтэссенцию, а не космологическое постоянное(неизменное). В этом случае, уравнение государства(состояния) темной энергии отличается −1. Космическая инфляция предсказывает колебания тензора (гравитационные волны). Их амплитуда параметризуется отношением тензора-к-скаляру, которое определено масштабом энергии инфляции. Другие модификации учитывают пространственное искривление или бегущий(работающий) спектральный индекс, которые вообще рассматриваются как непоследовательные(противоречивые) с космической инфляцией.
Позволение этих параметров будет вообще увеличивать ошибки в параметрах ванили, указанных выше, и может также переместить(изменить) наблюдаемые(соблюденные) ценности несколько.
Параметр Ценность Описание w Уравнение государства(состояния) r Ссылки
D. N. Spergel и др. (сотрудничество WMAP) (март 2006). "Исследование Анизотропии Микроволновой печи Wilkinson (WMAP) трех-летние результаты: значения для космологии". M. Tegmark и др. (сотрудничество SDSS), Космологические Параметры от SDSS и WMAP, Физики. Преподобный Д69 103501 (2004). D. N. Spergel и др. (сотрудничество WMAP), Первый год Исследование Анизотропии Микроволновой печи Wilkinson (WMAP) наблюдения: определение(намерение) космологических параметров, Astrophys. J. Suppl. 148 175 (2003). R. Передлинный кривой нож и др. (сотрудничество VSA), Космологическая оценка параметра, используя Очень Маленькие данные Множества к l=1500, Ежемесячно Уведомления(Внимание) о Королевском Астрономическом Обществе, Объем(Том) 353, Выходит 3, стр 747-759 J. P. Ostriker и P. J. Steinhardt, Космическое Соответствие, arXiv:astro-ph/9505066.
Модель предполагает, что общая теория относительности является правильной теорией гравитации на космологических масштабах. ΛCDM возникла в конце 1990-х годов и включает в себя космологическую инфляцию на ранних стадиях Большого взрыва для объяснения пространственной плоскостности Вселенной и начального спектра возмущений.
Большинство современных космологических моделей основано на космологическом принципе, который утверждает, что наше местоположение во Вселенной никак особенно не выделяется и что на достаточно большом масштабе Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях (изотропна) и из каждого места (однородность) [3] . Этот принцип представляет собой не безусловное требование-постулат, а скорее презумпцию — то есть считается верным, пока не доказано обратное.
Открытие космического микроволнового фона в 1965 году подтвердило ключевое предсказание космологии Большого Взрыва. С этого момента было принято считать, что Вселенная расширяется с течением времени, а раннее её состояние было плотным и горячим.
Скорость расширения зависит от содержания и типа вещества и энергии во Вселенной и, в частности, от того, является ли полная плотность выше или ниже так называемой критической плотности. В 1970-х годах основное внимание космологов привлекала чисто барионная модель, но в этом подходе были серьёзные проблемы объяснения образования галактик, учитывая очень небольшую анизотропию реликтового излучения, на которую уже тогда были получены серьёзные оценки сверху. В начале 1980-х годов стало ясно, что эта проблема может быть решена, если предположить, что холодная тёмная материя доминирует над барионной.
Различные модели предлагают разные соотношения обычных и тёмных энергий и масс. В 1980-х годах большинство исследований фокусировалось на модели холодной тёмной материи с критической плотностью при соотношении около 95 % тёмной материи и 5 % барионов: эти работы успешно объясняли формирование галактик и скоплений галактик, однако в 1990-х оказалось, что результаты по спектру крупномасштабного распределения галактик в сочетании с измеренной анизотропией реликтового излучения противоречат такой модели [4] .
Модель ΛCDM стала стандартом вскоре после открытия ускорения расширения Вселенной в 1998 году, так как упомянутые выше противоречия были просто и естественно в ней решены.
Когда Александр Фридман изменил последний пункт этого утверждения и доказал расширение Вселенной, возникла теория Большого взрыва. Она описывает начало этого расширения, до которого Метагалактика находилась в состоянии космологической сингулярности, когда плотность материи и кривизна пространства-времени были чрезвычайно велики. Отголосок Большого взрыва, который мы можем наблюдать и сейчас, – реликтовое, или космическое микроволновое фоновое излучение, одно из главных доказательств теории. О нынешнем состоянии науки об эволюции Вселенной нам рассказал Алексей Головнев, специалист в области космологии, доцент кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц СПбГУ .
– Алексей Валерьевич, космология изучает основные этапы развития Вселенной, то есть собирает в одну простую схему всю ее эволюцию. Как выглядит эта схема?
– Мы знаем, что Вселенная наполнена веществом и расширяется. Как известно, при расширении вещество охлаждается. Это значит, что когда-то Вселенная была очень плотной и горячей. Настолько горячей, что многие проблемы космологии неразрывно связаны с физикой элементарных частиц, в том числе при энергиях, недостижимых с помощью современных ускорителей (условно этот момент можно назвать Большим взрывом). С течением времени температура падала, и вещество в разные эпохи находилось в разных состояниях. Это кварк-глюонная плазма при энергиях, недавно достигнутых на ускорителях, а потом мир обычных элементарных частиц. При энергиях, немного меньших энергии покоя электрона, произошел первичный нуклеосинтез – образование из протонов и нейтронов первичного состава атомных ядер, в основном водорода и гелия. А когда температура упала до нескольких тысяч градусов, произошла рекомбинация – образование нейтральных атомов из первичной плазмы. С этого момента Вселенная стала прозрачной для излучения, и именно с тех времен (несколько сотен тысяч лет после Большого взрыва) приходят к нам фотоны реликтового фона.
В среднем Вселенная была однородна и изотропна, но в ней присутствовали флуктуации плотности и температуры – сгущения и разрежения первичного вещества. Эти первичные флуктуации мы сейчас можем изучать в виде малых изменений температуры реликтового фона в зависимости от того, с какого направления на небе прилетают регистрируемые фотоны. А при дальнейшем расширении Вселенной именно эти сгущения и разрежения эволюционировали в крупномасштабную структуру, скопления галактик, галактики, звезды, планеты. Мы – дети этих первичных неоднородностей, относительное изменение плотности в которых было на уровне порядка нескольких тысячных долей процента.
– Все последние открытия позволили создать крупномасштабную структуру Вселенной, которая показывает положение всех ее объектов относительно друг друга. Вы могли бы ее описать?
– Под крупномасштабной структурой понимается распределение вещества, изучаемое на самых больших масштабах, доступных наблюдениям, – космологических. С наблюдательной точки зрения оно исследуется с помощью составления огромных галактических каталогов и статистической обработки данных. С позиции теоретика статистические особенности распределения вещества во Вселенной суть проявления тех же первичных флуктуаций, которые наблюдаются в реликтовом фоне.
На масштабах свыше нескольких сотен мегапарсек имеется в целом однородное и изотропное распределение вещества. В малых масштабах мы наблюдаем галактики и скопления галактик. А в промежуточном режиме можно видеть красивую картину космической паутины со структурами разных размерностей – сверхскопления, блины, нити, пустоты…
– Расскажите о современной стандартной космологической модели Лямбда- CDM , которая предполагает, что пространство Вселенной заполнено барионной материей, темной энергией и холодной темной материей, а возраст ее составляет 14 млрд лет?
– В целом современную космологическую картину мира я описал выше. Осталось только добавить, что в самом конце XX века было установлено, что современная Вселенная опять расширяется ускоренно. Это было неожиданно и требует наличия экзотического вещества с большим отрицательным давлением – темной энергии. Впрочем, простейшая рабочая гипотеза – это просто космологическая постоянная. Она стандартно обозначается буквой лямбда. Ну, а CDM – холодная темная материя ( cold dark matter). Отсюда название стандартной космологической модели, в рамках которой примерно 70 % современной плотности энергии приходится на темную энергию, за 25 % отвечает темная материя, ну а оставшиеся 5 % – это обычное вещество, которое в астрономии любят называть барионным.
– Космология Шварцшильда – модель, согласно которой наблюдаемая Вселенная находится внутри черной дыры. Насколько эта теория принята научным сообществом?
– Это неактуальная тема. Да, действительно, можно провести определенные аналогии между горизонтом черной дыры и космологическим горизонтом. Но все не так просто. И, например, предположение о периоде инфляции в ранней Вселенной приводит к тому, что размер каузального горизонта в глобальном смысле может во много раз превосходить практически видимую часть Вселенной – оптический горизонт, а их соотношение меняется со временем. В этом, собственно, и состоит смысл инфляционной теории, которая таким образом решает проблему начальных условий. Кроме того, для наблюдателя, попавшего в черную дыру, существует неизбежная сингулярность в будущем, в то время как сингулярность Большого взрыва относится к прошлому. В этом смысле уместна аналогия с гораздо более экзотическим решением уравнений Эйнштейна – белой дырой.
– Белые дыры – гипотетические объекты, которые существуют только в рамках математических моделей. Как теория объясняет их существование?
– Белую дыру можно представить себе как обращенную во времени черную – из нее можно выйти, но в нее нельзя попасть извне. В реальной Вселенной подобные объекты, по всей видимости, не возникают. Но с теоретической точки зрения белые дыры интересны тем, что геодезически полное пространство вечной черной дыры Шварцшильда содержит также и область, являющуюся белой дырой. Можно построить решения с тоннелем, соединяющим черную дыру с белой, которая открывается в совершенно другую область Вселенной. Таким образом, теоретически можно конструировать сколь угодно быстрые перемещения на большие расстояния и даже путешествия во времени. Правда, устойчивость тоннеля потребует либо весьма экзотического вещества, либо отклонений от общей теории относительности.
Повторюсь, что к реалистичной космологии белые дыры имеют отношение не более чем в качестве любопытной аналогии. Однако важно понимать, что уравнения общей теории относительности допускают много необычных решений, в том числе и с нарушением принципа причинности. Интересно выяснить, имеются ли какие-то особые механизмы в теории гравитации, защищающие нас от нарушений причинности и других патологий. Над этим трудятся некоторые теоретики.
– Обнаружение гравитационных волн обсерваторией LIGO – еще одно подтверждение общей теории относительности Эйнштейна. Успешно реализуется проект детектора VIRGO , разрабатывается проект космического лазерного интерферометра гравитационных волн LISA. Как устроены интерферометры, и какой потенциал они несут?
– Гравитационная волна представляет собой искажения геометрии пространства в плоскости, перпендикулярной к направлению движения волны, – растяжение в одном направлении и сжатие в другом. Эта особенность определяет устройство детекторов. В них изучается интерференция световых волн, распространяющихся в двух взаимно перпендикулярных плечах интерферометра. По-разному искажая длины в двух направлениях, гравитационная волна приводит к относительному набегу фазы и сдвигу интерференционных полос.
Следующим шагом в развитии гравитационно-волновой астрономии должен стать космический интерферометр LISA . Он будет составлен из трех космических кораблей, движущихся вслед за Землей по ее орбите и расположенных в вершинах равностороннего треугольника с длиной стороны в миллион километров (почти в три раза больше радиуса орбиты Луны). Расстояние между спутниками определяет длину плеча интерферометра, совершенно недостижимую в земных условиях. Это, а также отсутствие сейсмических шумов, позволит добиться большей чувствительности и исследовать широкий диапазон частот, недостижимых с помощью наземных антенн. Проект LISA заявлен в качестве кандидата на финансирование в рамках программы cosmic visions европейского космического агентства. Уже было принято решение, что миссия L 3 (третья большая) будет гравитационно-волновой, и поэтому LISA представляется основным кандидатом. В мае будет принято окончательное решение. Однако предполагаемое время запуска – 2034 год.
– Давайте поговорим о самой интригующей загадке астрофизики – природе скрытой массы, или темной материи.
– Самого главного открытия так пока и не произошло – мы до сих пор не знаем, что такое темная материя. Она проявляет себя гравитационно в галактических и космологических масштабах – определяет кривые скоростей вращения в галактиках, участвует в гравитационном линзировании, играет важную роль в образовании структур во Вселенной… Но с обычными частицами темная материя должна взаимодействовать весьма слабо. И вне этих рамок никто ее пока не видел. Можно только отметить, что при изучении космических лучей эксперименты PAMELA и AMS-02 зарегистрировали избыток позитронов, который может быть связан с аннигиляцией частиц темной материи. Но это пока спорный вопрос.
Одной из очень популярных возможностей были суперпартнеры частиц в суперсимметричных расширениях стандартной модели. Но, как известно, Большой адронный коллайдер суперсимметрии (пока?) не обнаружил. Все это выглядит несколько обескураживающе – 95 % плотности энергии Вселенной находится в таинственной форме (темная материя и темная энергия). Существуют и активно развиваются альтернативные гипотезы, модифицирующие гравитационное взаимодействие вместо введения новых частиц и полей для объяснения темных секторов. Будущее покажет, где здесь истина.
Галактика Центавр A расположена примерно от 10 до 16 миллионов световых лет от Солнечной системы и находится в созвездии Центавра. Она находится очень близко, но тем не менее не входит в Местную группу галактик, а также является самой ближайшей к нам активной галактикой, что означает, что она очень яркая и является очень мощным источником радиоизлучения. Кроме того, она обладает необычной формой – это линзовидная галактика с полярным кольцом. А теперь Центавр A стала еще и первой галактикой за пределами Местной группы, у которой ученые обнаружили и карликовые галактики-саттелиты, вращающиеся с ней в одной плоскости.
Млечный Путь и Андромеда тоже имеют карликовые галактики, вращающиеся с ними в одной плоскости, однако космологические модели, построенные на стандартной модели Лямбда-CDM, предсказывают, что чаще всего более компактные галактики вращаются вокруг более крупных именно хаотично, двигаясь во всех направлениях, что в свою очередь делает Млечный Путь и Андромеду скорее исключением из этого правила. Однако новое наблюдение за Центавром A опровергает это заключение.
И все же вращение галактик-сателлитов несколько отличается от вращения планет вокруг своих звезд. Последние, как правило, оборачиваются вокруг экватора своих светил. Что же касается галактик-сателлитов, таких как те, что вращаются вокруг Центавра A, как, впрочем, и вокруг Млечного Пути, и Андромеды, то кружат они вокруг более крупных галактик перпендикулярно их экваториальной плоскости, то есть вокруг полюсов сверхмассивных черных дыр, расположенных в их центрах.
Модель вращение карликовых галактик вокруг галактики Центавр A
Исследователи говорят, что обнаружить галактические плоскости для Млечного Пути и Андромеды довольно просто. Находясь на Земле, вам нужно делать снимки неба каждые несколько лет и следить за тем, где в этот момент находятся звезды. Андромеда расположена от нас примерно в 2,5 миллиона световых лет, поэтому перпендикулярную плоскость вращения карликовых галактик тоже найти не составляет особого труда.
С плоскостью Центавра A все оказалось несколько сложнее. Однако наличие огромного объема архивных данных, собранных об этой галактике, позволило команде ученых обнаружить информации о как минимум 16 карликовых галактиках, вращающихся вокруг нее. А доплеровский эффект позволил определить направление, в котором эти карликовые галактики движутся.
На основе этого ученые выяснили, что 14 из 16 галактик-сателлитов обладают одинаковой плоскостью вращения. Например, у того же Млечного Пути из 11 галактик-сателлитов только 8 вращаются с ним в одной перпендикулярной плоскости. А среди 27 обнаруженных галактик вокруг Андромеды перпендикулярной плоскостью вращения обладают 15.
Так как обсуждаемый сегодня феномен наблюдался уже в третий раз, то, по мнению исследователей, фактор случайности можно смело отбросить. Кроме того, это также предполагает и то, что этот феномен должен встречаться гораздо чаще, чем считалось ранее – согласно стандартным моделям, такая особенность должна наблюдаться лишь у 0,5 процента соседних с нами галактик. Но мы видим, что это не так.
Глава исследования Оливер Мюллер из Базельского университета (Швейцария) добавляет, что полученные результаты также поддерживают идею о том, что столкновения между двумя крупными галактиками (что происходит довольно часто) могут порождать карликовые галактики из выброшенной в результате этих столкновений материи, притягиваемой приливными силами.
Читайте также: