ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ и ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

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

2. Энергетический состав Вселенной

4. ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ В ГАЛАКТИКАХ J. Einasto et al. 1974

5. M ~ V2 R /G

6. 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 Обсерваториирентгеновском 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.

7. Скопление галактик как гравитационная линза

8. M ~ 10 ML

9. 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 100 000 галактик, выполненные в рамках Обзора красных смещений галактик на инструменте 2dF (2-Degree Field Galactic Redshift Survey). На приведенном кадрекомпьютерной 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.

10. 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.

11. 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…

12. 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 водородаm ~ MEW ~ 1 TeV Б) черные дыры? – нет, тогда выделялось бы много энергии во Вселенной… …..

13. Темная энергия – когда о ней стали говорить и почему? ЭЙНШТЕЙН (1917): КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ Λ = ВСЕМИРНОЕ АНТИТЯГОТЕНИЕ 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).

14. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ? Я.Б. Зельдович (1967): Космический вакуум = квантово-механический вакуум всех физических полей ρ ~ ρPL ~ 1092г/см3 ???

15. 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. Видно, что Λ – не равен 0!

16. Свидетельство второе: тонкие наблюдения реликтового фона на спутнике WMAP и наземиных радиотелескопах (2002-2006). 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. 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).

17. ПЛОТНОСТЬ ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ ρ= (0,75 ± 0,05) * 10-29 г/см3 Riess et al. (1988) Perlmutter et al (1999) WMAP (2003 - 2006)

18. МОДЕЛЬ ФРИДМАНА (1922-24): 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

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

21. ЛОКАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ ТЕМНОЙ ЭНЕРГИИ: РЕГУЛЯРНЫЙ ХАББЛОВСКИЙ ПОТОК В МАСШТАБЕ 1-3 Мпк (A.Chernin, I.Karachetsev et al.2007)

22. ПАРАДОКС ХАББЛА-СЭНДИДЖА: (1) РЕГУЛЯРНОЕ КОСМОЛОГИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ ОТ ~ 1 Мпк ДО ГОРИЗОНТА МИРА (2) Н = 64 ± 7 км/с/Мпк Как и почему это возможно?

23. 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 πGρ)1/2 =64км/с/Мпк

24. 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.

25. 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<-1/3. Обычно рассмотрение ограничивают интервалом -1<w<-1/3. Это ограничение связывают с тем, что из строгого выполнения определения w (как для равновесного состояния, так и для малых возмущений) формально вытекает, что скорость распространения малых возмущений (звука) в квинтэссенции при w<-1 превышает скорость света c, что нарушает принцип причинности. Однако уже предложены несколько вариантов скалярных полей, в которых при выполнении условия w<-1 возмущения распространяются с субсветовыми скоростями. Основное возражение - нарушение причинности - в таких моделях устранено, и теперь мы можем задать сакраментальный вопрос: Что же происходит за границей w<-1? • Несколько возможных сценариев расширения Вселенной. Снизу вверх: • Нижние три кривые представляют собой Фридмановские сценарии, которые реализуются, если Вселенная заполнена веществом с w>-1/3. • Закрытая модель - Вселенная расширяется до максимального размера и затем коллапсирует. Мир существует конечное время. • Плоская модель - Вселенная расширяется бесконечно, скорость ее расширения стремится к нулю. • Открытая модель - Вселенная также расширяется бесконечно, но на больших временах скорость ее расширения становится постоянной. • Открытая и плоская Вселенные существуют неограниченное время и расширяются бесконечно. • Вселенная с квинэссенцией или Лямбда-членом (-1<w<1/3) - начиная с некоторого момента времени, расширение Вселенной ускоряется. Время существования Вселенной бесконечно. • Вселенная с фантомной энергией (w<-1) - за конечное время размер Вселенной обращается в Бесконечность.

26. Если Вселенную заполняет фантомная энергия (w<-1), то ее масштабный фактор обращается в бесконечность за конечный интервал времени. Это событие авторы статьи назвали "Большой Разрыв" (Big Rip) [почему разрыв - смотрите ниже] - по аналогии с Большим Взрывом (Big Bang). (Здесь присутствует игра слов: Rip - разрыв, RIP - аббревиатура от Remain In Peace ["Покойся с миром"] - типичной английской эпитафии.) Если в качестве примера взять w=-3/2, то при H0=70 км/с/Мпк Большой Разрыв наступит через 22 млрд.лет (когда Вселенной будет 35 млрд.лет). Так же, как и в сценарии с темной энергией, удаленные объекты постепенно покидают наблюдаемую область, поскольку масштабный фактор быстро возрастает, а граница обозримой области пространства приближается к нам (и все это происходит за конечное время). В этом сценарии плотность и абсолютная величина давления заполняющего пространство вещества (призрачной энергии) возрастают со временем и к моменту Большого Разрыва обращаются в бесконечность, комбинация становится все более и более отрицательной. Таким образом, обязательно наступит момент, когда гравитационно связанная система с массой M и размером R будет разорвана (распадется). Это произойдет неизбежно, от параметров системы зависит только момент ее разрыва. Будут разорваны и все системы, связанные другими силами, только это произойдет позже, поскольку размеры негравитационно связанных систем меньше, а скрепляющие их силы - мощнее. (Отсюда и взялось название Большой Разрыв.) Время          Событие 0 Большой Взрыв ~10-43 с Планковская эра ~10-36 с Инфляция ~100 с Первичный нуклеосинтез ~105 лет Образование атомов ~109 лет Образование первых галактик ~15.109 лет Сегодня trip-109 лет Распад скоплений галактик trip-60.106 лет Распад Млечного Пути * trip-3 месяца Распад Солнечной системы trip-30 минут Разрушение (взрыв) Земли trip-10-19 c Разрушение атомов trip=35.109 лет Большой Разрыв