
14.03.2003 18:57 | M. E. Prohorov/GAISh, Moskva
Ili snova o "prizrachnoi energii i kosmicheskom sudnom dne".
Stat'ya Kaldvella, Kamionkovskogo i Veinberga "Prizrachnaya energiya i kosmicheskii sudnyi den'" (astro-ph/0302506), kotoroi posvyasheny zametka Sergeya Popova i odin iz poslednih APOD'ov, vyzvala volnu interesa v presse (sm. zdes' ili zdes'). [V poslednee vremya aktivnaya reklama lyubyh svoih rezul'tatov stanovitsya "horoshei" tradiciei anglosaksonskogo nauchnogo soobshestva.] Poetomu ya poschital neobhodimym napisat' bolee razvernutuyu zametku. To, chto privedeno nizhe - dostatochno podrobnyi pereskaz upomyanutoi vyshe stat'i.
Nablyudeniya dalekih sverhnovyh i fluktuacii reliktovogo izlucheniya s pomosh'yu nazemnyh i ballonnyh eksperimentov, a v osobennosti poslednie dannye eksperimenta WMAP pokazali, chto nasha Vselennaya rasshiryaetsya uskorenno. Etot fakt mozhno soglasovat' s teoriei, esli predpolozhit', chto Vselennaya v osnovnom zapolnena veshestvom s otricatel'nym davleniem - tak nazyvaemoi temnoi energiei.
Formal'no temnuyu energiyu mozhno opisat' kak veshestvo s uravneniem
sostoyaniya, opisyvaemym odnim parametrom w - ("kvintessenciya"), prichem eto otnoshenie schitaetsya
postoyannym (v ramkah rassmatrivaemyh nami predskazanii "budushego"
Vselennoi - strogo postoyannym, a dlya togo, chtoby vvedenie temnoi
energii imelo smysl - postoyannym na dostatochno dlitel'nyh intervalah
vremeni). Podobnoe uravnenie sostoyaniya pri opredelennyh znacheniyah
w nam horosho izvestno: w=1/3 - eto izluchenie, w=0
- pyl', sreda bez davleniya, w=-1 - vvedennyi eshe samimi
Einshteinom kovariantnyi
-chlen. Dlya togo, chtoby
rasshirenie Vselennoi, zapolnennoi (preimushestvenno) podobnym veshestvom,
uskoryalos', dolzhno vypolnyat'sya uslovie w<-1/3.
Obychno rassmotrenie ogranichivayut intervalom -1<w<-1/3. Eto ogranichenie svyazyvayut s tem, chto iz strogogo vypolneniya opredeleniya w (kak dlya ravnovesnogo sostoyaniya, tak i dlya malyh vozmushenii) formal'no vytekaet, chto skorost' rasprostraneniya malyh vozmushenii (zvuka) v kvintessencii pri w<-1 prevyshaet skorost' sveta c, chto narushaet princip prichinnosti. Odnako uzhe predlozheny neskol'ko variantov skalyarnyh polei, v kotoryh pri vypolnenii usloviya w<-1 vozmusheniya rasprostranyayutsya s subsvetovymi skorostyami. Osnovnoe vozrazhenie - narushenie prichinnosti - v takih modelyah ustraneno, i teper' my mozhem zadat' sakramental'nyi vopros:
Dlya etoi oblasti temnyh energii dazhe priduman special'nyi termin -
prizrachnaya energiya. V etoi oblasti narushaetsya slaboe uslovie
energodominantnosti (, sm. naprimer astro-ph/0302067).
Takoe zhe narushenie energodominantnosti trebuetsya dlya sushestvovaniya
"krotovyh nor", iz kotoryh mozhno sozdat' mashinu vremeni. No v kosmologii
narushenie etogo usloviya privodit k sovsem drugim sledstviyam, kotorye
sostavlyayut osnovnye vyvody dannoi stat'i, i imenno oni vyzvali interes
pressy.
![]() ![]() |
Ris. 1.
Sovremennye nablyudatel'nye ogranicheniya dlya kosmologicheskih parametrov,
pokazannye na ploskosti ![]() (Diagrammy postroeny dlya znacheniya postoyannoi Habbla H0=70 km/s/Mpk, zakrashennye oblasti postroeny dlya urovnya znachimosti 2 ![]() |
![]() |
Ris. 2.
Neskol'ko vozmozhnyh scenariev rasshireniya Vselennoi. Snizu vverh:
|
Posmotrim, kakuyu sud'bu predskazyvayut Vselennoi razlichnye kosmologicheskie scenarii.
V ploskoi i otkrytoi Fridmanovskih modelyah (bez temnoi energii) rasshirenie prodolzhaetsya beskonechno, no zamedlyaetsya. Pri etom razmer gorizonta (oblasti, dostupnoi dlya nablyudeniya) uvelichivaetsya bystree, chem masshtabnyi faktor Vselennoi. Po mere rasshireniya Vselennaya stanovitsya bolee holodnoi (padaet temperatura reliktovogo izlucheniya) i bolee temnoi (istochniki sveta - galaktiki i ih skopleniya - udalyayutsya). Odnako chislo vidimyh galaktik (vnutri gorizonta) vozrastaet - vblizi gorizonta "poyavlyayutsya" novye, ranee ne nablyudavshiesya ob'ekty.
Vo Vselennoi s temnoi energiei (-1<w<1/3)
rasshirenie uskoryaetsya. Etot process dlitsya vechno. Vselennaya takzhe
stanovitsya temnee i holodnee, no v etom sluchae razmery Vselennoi
vozrastayut bystree, chem gorizont. Iz vidimoi oblasti postepenno budut
ischezat' ob'ekty, raspolozhennye vblizi gorizonta. V konce koncov "v
centre" nablyudaemoi oblasti Vselennoi ostanetsya tol'ko odin
gravitacionno svyazannyi ob'ekt. Dlya nas eto budet mestnaya gruppa
galaktik. Sud'ba galaktik, ne vhodyashih v gruppy i skopleniya, budet eshe
bolee odinokoi. Davlenie i plotnost' zapolnyayushego Vselennuyu veshestva
ubyvayut so vremenem. Isklyucheniem yavlyaetsya predel'nyi sluchai s
-chlenom (w=-1), kogda i davlenie, i
plotnost' veshestva ostayutsya postoyannymi.
Prezhde chem pereiti k rassmotreniyu sud'by Vselennoi v scenarii s
prizrachnoi energiei, nado obsudit' vopros o sud'be gravitacionno (i ne
tol'ko) svyazannyh ob'ektov, poskol'ku eto vazhno. Soglasno Obshei Teorii
Otnositel'nosti, istochnikom gravitacionnogo polya yavlyayutsya kak plotnost'
veshestva, tak i ego davlenie, a tochnee, sleduyushaya ih kombinaciya
(dlya izotropnyh sred). Pust', kak my i
rassmatrivaem, vse prostranstvo zapolneno takim veshestvom, togda telo
(naprimer, planeta) obrashayusheesya vokrug zvezdy s massoi M po
orbite radiusa R, perestanet byt' gravitacionno svyazannym so
zvezdoi pri vypolnenii usloviya

Iz etogo vyrazheniya yasno, chto "fonovaya" materiya delaet sistemy menee
svyazannymi, esli , t.e. Vselennaya dolzhna byt'
zapolnena temnoi ili fantomnoi energiei (w<-1/3).
V scenarii s temnoi energiei ee davlenie i plotnost' s techeniem vremeni ubyvayut, poetomu ob'ekty, kotorye yavlyayutsya svyazannymi (gravitaciei ili drugimi silami) segodnya, budut ostavat'sya takimi i v budushem.
Esli Vselennuyu zapolnyaet fantomnaya energiya (w<-1), to
ee masshtabnyi faktor obrashaetsya v beskonechnost' za konechnyi interval
vremeni. Eto sobytie avtory stat'i nazvali "Bol'shoi Razryv" (Big Rip)
[pochemu razryv - smotrite nizhe] - po analogii s Bol'shim Vzryvom (Big
Bang). (Zdes' prisutstvuet igra slov: Rip - razryv, RIP - abbreviatura
ot Remain In Peace ["Pokoisya s mirom"] - tipichnoi angliiskoi epitafii.)
Esli v kachestve primera vzyat' w=-3/2, to pri
H0=70 km/s/Mpk Bol'shoi Razryv nastupit cherez 22
mlrd.let (kogda Vselennoi budet 35 mlrd.let). Tak zhe, kak i v scenarii s temnoi energiei, udalennye ob'ekty
postepenno pokidayut nablyudaemuyu oblast', poskol'ku masshtabnyi faktor
bystro vozrastaet, a granica obozrimoi oblasti prostranstva priblizhaetsya
k nam (i vse eto proishodit za konechnoe vremya). V etom scenarii
plotnost' i absolyutnaya velichina davleniya zapolnyayushego prostranstvo
veshestva (prizrachnoi energii) vozrastayut so vremenem i k momentu
Bol'shogo Razryva obrashayutsya v beskonechnost', kombinaciya
stanovitsya vse bolee i bolee otricatel'noi. Takim
obrazom, obyazatel'no nastupit moment, kogda gravitacionno svyazannaya sistema
s massoi M i razmerom R budet razorvana (raspadetsya). Eto
proizoidet neizbezhno, ot parametrov sistemy zavisit tol'ko moment ee
razryva. Budut razorvany i vse sistemy, svyazannye drugimi silami, tol'ko
eto proizoidet pozzhe, poskol'ku razmery negravitacionno svyazannyh
sistem men'she, a skreplyayushie ih sily - moshnee. (Otsyuda i vzyalos'
nazvanie Bol'shoi Razryv.)
Dlya ukazannyh vyshe parametrov (w=-3/2 i H0=70 km/s/Mpk) zhizn' Vselennoi - ot Big Bang do Big Rip - vyglyadit tak:
Vremya | Sobytie |
0 | Bol'shoi Vzryv |
~10-43 s | Plankovskaya era |
~10-36 s | Inflyaciya |
~100 s | Pervichnyi nukleosintez |
~105 let | Obrazovanie atomov |
~109 let | Obrazovanie pervyh galaktik |
~15.109 let | Segodnya |
trip-109 let | Raspad skoplenii galaktik |
trip-60.106 let | Raspad Mlechnogo Puti * |
trip-3 mesyaca | Raspad Solnechnoi sistemy |
trip-30 minut | Razrushenie (vzryv) Zemli |
trip-10-19 c | Razrushenie atomov |
trip=35.109 let | Bol'shoi Razryv |
* Kogda nachnetsya raspad galaktik, razmer gorizonta budet okolo 70 Mpk. V etoi sfere zaklyucheno dostatochno mnogo galaktik, tak chto my smozhem nablyudat', kak oni raspadayutsya (s uchetom zaderzhki, svyazannoi s konechnost'yu skorosti sveta). |
Chto mozhno dobavit' k izlozheniyu rezul'tatov, privedennyh v stat'e Kaldvella, Kamionkovskogo i Veinberga?
- Chisto teoreticheski pokazano, chto krome davno predskazannyh variantov "sud'by" nashei Vselennoi - szhatiya s posleduyushim kollapsom ili beskonechnogo rasshireniya, naidena eshe odna vozmozhnost' - Bol'shoi Razryv. Na segodnyashnii den' eto tol'ko interesnaya teoreticheskaya ideya, kakih-libo ser'eznyh ukazanii na vozmozhnost' realizacii podobnogo scenariya net.
- Iz samyh obshih soobrazhenii yasno, chto nikakaya fizika ne smozhet zastavit' veshestvo obladat' svoistvami prizrachnoi energii do momenta Bol'shogo Razryva. Ego svoistva izmenyatsya, i dalee rasshirenie Vselennoi poidet po-drugomu. Odnako nel'zya zaranee skazat', kak blizko k Bol'shomu Razryvu ona podoidet i kakie tela v nei eshe sohranyatsya.
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Kosmologiya - big rip - temnaya energiya - lyambda-chlen - Rasshirenie Vselennoi - kvintessenciya
Publikacii so slovami: Kosmologiya - big rip - temnaya energiya - |