Нестандартная космология
Нестандартная космология - это любая физическая космологическая модель Вселенной, которая была или все еще предлагается в качестве альтернативы существующей на тот момент стандартной модели космологии. Термин нестандартная применяется к любой теории, которая не соответствует научному консенсусу. Поскольку термин зависит от преобладающего консенсуса, значение термина меняется с течением времени. Например, горячая темная материя не считалась бы нестандартной в 1990 году, но была бы в 2010 году. И наоборот, ненулевоекосмологическая постоянная, приводящая к ускорению Вселенной, считалась бы нестандартной в 1990 году, но является частью стандартной космологии в 2010 году.
За всю историю космологии произошло несколько крупных космологических споров. Одной из самых ранних была революция Коперника, которая установила гелиоцентрическую модель Солнечной системы. Более поздними были Великие дебаты 1920 года, после которых был установлен статус Млечного Пути как одной из многих галактик Вселенной. С 1940-х по 1960-е годы астрофизическое сообщество было поровну разделено между сторонниками теории Большого взрыва и сторонниками конкурирующей стационарной вселенной; в настоящее время решение принято в пользу теории Большого взрыва благодаря достижениям в наблюдательная космология в конце 1960-х годов. Тем не менее, оставались ярые противники теории Большого взрыва, в том числе Фред Хойл, Джаянт Нарликар, Халтон Арп и Ханнес Альфвен, чьи космологии были отнесены к области астрономических исследований. Те немногие противники Большого взрыва, которые все еще активны сегодня, часто игнорируют устоявшиеся доказательства новых исследований, и, как следствие, сегодня нестандартные космологии, которые полностью отвергают Большой взрыв, редко публикуются в рецензируемых научных журналах, но появляются в Интернете в маргинальных журналах и на частных сайтах.
Текущей стандартной моделью космологии является модель лямбда-CDM, в которой Вселенная управляется общей теорией относительности, началась с Большого взрыва и сегодня представляет собой почти плоскую вселенную, состоящую примерно из 5% барионов, 27% холодной темной материи и 68% темной энергии.[2] Лямбда-CDM была успешной моделью, но недавние данные наблюдений, похоже, указывают на значительную напряженность в Лямбда-CDM, такую как напряженность Хаббла, пустота KBC, проблема карликовой галактики и так далее. Продолжаются исследования по расширению или модификации лямбда-CDM, а также принципиально других моделей. Исследуемые темы включают квинтэссенцию, модифицированную ньютоновскую динамику (MOND) и ее релятивистское обобщение TeVeS, а также теплую темную материю.
История[править]
Современная физическая космология в том виде, в каком она изучается в настоящее время, впервые возникла как научная дисциплина в период после дебатов Шепли–Кертиса и открытия Эдвином Хабблом лестницы космических расстояний, когда астрономам и физикам пришлось смириться с тем, что Вселенная имеет гораздо больший масштаб, чем предполагаемый ранее размер галактики. Теоретиков, которые успешно разработали космологии, применимые к более крупномасштабной Вселенной, сегодня помнят как основателей современной космологии. Среди этих ученых Артур Милн, Виллем де Ситтер, Александр Фридман,Жорж Леметр и сам Альберт Эйнштейн.
После подтверждения закона Хаббла наблюдениями двумя наиболее популярными космологическими теориями стали теория стационарного состояния Хойла, Голда и Бонди и теория большого взрыва Ральфа Альф, Джорджа Гамова и Роберта Дике с небольшим количеством сторонников и небольшим количеством альтернатив. Одним из главных успехов теории Большого взрыва по сравнению с ее конкурентом было ее предсказание обилия легких элементов во Вселенной, которое соответствует наблюдаемому обилию легких элементов. Альтернативные теории не имеют средств для объяснения этого изобилия.
Теории, утверждающие, что Вселенная имеет бесконечный возраст и не имеет начала, с трудом объясняют обилие дейтерия в космосе, потому что дейтерий легко подвергается ядерному синтезу в звездах, и нет никаких известных астрофизических процессов, кроме самого Большого взрыва, которые могли бы производить его в больших количествах. Следовательно, тот факт, что дейтерий не является чрезвычайно редким компонентом Вселенной, предполагает как то, что Вселенная имеет конечный возраст, так и то, что в прошлом был процесс, который создал дейтерий, который больше не происходит.
Теории, которые утверждают, что Вселенная имеет конечную жизнь, но что Большого взрыва не произошло, имеют проблемы с обилием гелия-4. Наблюдаемое количество 4 He намного больше, чем количество, которое должно было быть создано с помощью звезд или любого другого известного процесса. Напротив, обилие 4 He в моделях Большого взрыва очень нечувствительно к предположениям о плотности барионов, изменяясь всего на несколько процентов при изменении плотности барионов на несколько порядков величины. Наблюдаемое значение 4 He находится в пределах расчетного диапазона.
Тем не менее, только после открытия космического микроволнового фонового излучения (CMB) Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1965 году большинство космологов, наконец, пришли к выводу, что наблюдения лучше всего объясняются моделью большого взрыва. Затем перед теоретиками стационарного состояния и другими сторонниками нестандартных космологий была поставлена задача дать объяснение этому явлению, если оно должно было оставаться правдоподобным. Это привело к оригинальным подходам, включая интегрированный звездный свет икосмические железные усы, которые должны были служить источником всепроникающего микроволнового фона по всему небу, который не был вызван фазовым переходом ранней Вселенной.
Скептицизм по поводу способности нестандартных космологий объяснить реликтовое излучение привел к тому, что с тех пор интерес к этой теме ослабел, однако было два периода, когда интерес к нестандартной космологии возрос из-за данных наблюдений, которые создавали трудности для большого взрыва. Впервые это произошло в конце 1970-х годов, когда существовал ряд нерешенных проблем, таких как проблема горизонта, проблема плоскостности и отсутствие магнитных монополей, которые ставили под сомнение модель большого взрыва. Эти проблемы были в конечном итоге решены космической инфляцией в 1980-х годах. Впоследствии эта идея стала частью понимания большого взрыва, хотя время от времени предлагались альтернативные варианты. Второе произошло в середине 1990-х годов, когда наблюдения за возрастом шаровых скоплений и изначальным содержанием гелия, по-видимому, не согласились с большим взрывом. Однако к концу 1990-х годов большинство астрономов пришли к выводу, что эти наблюдения не ставят под сомнение теорию большого взрыва, а дополнительные данные COBE и WMAP предоставили подробные количественные показатели, которые соответствовали стандартной космологии.
Сегодня неортодоксальные нестандартные космологии, как правило, считаются космологами недостойными рассмотрения, в то время как многие из исторически значимых нестандартных космологий считаются фальсифицированными. Основы теории большого взрыва были подтверждены широким спектром дополнительных и подробных наблюдений, и никакие нестандартные космологии не воспроизвели диапазон успехов модели большого взрыва. Размышления об альтернативах обычно не являются частью научных или педагогических дискуссий, за исключением наглядных уроков или из-за их исторической важности. Открытое письмо, начатое некоторыми оставшимися сторонниками нестандартной космологии, подтвердило, что: "сегодня практически все финансовые и экспериментальные ресурсы в космологии посвящены исследованиям большого взрыва ..."
В 1990-х годах наступление "золотого века космологии" сопровождалось поразительным открытием, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется. До этого предполагалось, что материя в ее видимой или невидимой форме темной материи является доминирующей плотностью энергии во Вселенной. Эта "классическая" космология большого взрыва была опровергнута, когда было обнаружено, что почти 70% энергии во Вселенной связано с космологической постоянной, которую часто называют "темной энергией". Это привело к развитию так называемой конкордантностиМодель ΛCDM, которая объединяет подробные данные, полученные с помощью новых телескопов и методов астрофизики наблюдений, с расширяющейся вселенной, изменяющей плотность. Сегодня в научной литературе все чаще встречаются предложения по "нестандартным космологиям", которые фактически принимают основные принципы космологии большого взрыва, изменяя при этом части модели согласования. Такие теории включают альтернативные модели темной энергии, такие как квинтэссенция, фантомная энергия и некоторые идеи вкосмология браны; альтернативные модели темной материи, такие как модифицированная ньютоновская динамика; альтернативы или расширения инфляции, такие как хаотическая инфляция и экпиротическая модель; и предложения дополнить Вселенную первопричиной, такие как граничное условие Хартла–Хокинга, циклическая модель и струнный ландшафт. Среди космологов нет единого мнения по поводу этих идей, но, тем не менее, они являются активными областями научных исследований.
Альтернативы космологиям Большого взрыва[править]
До того, как были собраны данные наблюдений, теоретики разработали основы, основанные на том, что они понимали как наиболее общие черты физики и философские предположения о Вселенной. Когда Альберт Эйнштейн разработал свою общую теорию относительности в 1915 году, это было использовано в качестве математической отправной точки для большинства космологических теорий.[4] Однако, чтобы прийти к космологической модели, теоретикам необходимо было сделать предположения о природе самых больших масштабов Вселенной. Предположения, на которые опирается текущая стандартная модель космологии, следующие:
универсальность физических законов – то, что законы физики не меняются от одного места и времени к другому, космологический принцип, согласно которому Вселенная примерно однородна и изотропна в пространстве, хотя и не обязательно во времени, и принцип Коперника заключается в том, что мы не наблюдаем Вселенную из предпочтительного местоположения. Эти предположения в сочетании с общей теорией относительности приводят к тому, что Вселенная управляется метрикой Фридмана–Робертсона–Уокера (FRW metric). Метрика FRW учитывает Вселенную, которая либо расширяется, либо сжимается (а также стационарные, но нестабильные вселенные). Когда был открыт закон Хаббла, большинство астрономов интерпретировали его как признак расширения Вселенной. Это подразумевает, что Вселенная была меньше в прошлом, и, следовательно, привело к следующим выводам:
вселенная возникла из горячего, плотного состояния в конечное время в прошлом,
- поскольку Вселенная нагревается при сжатии и охлаждается при расширении, в первые моменты существования времени в том виде, в каком мы его знаем, температуры были достаточно высокими, чтобы произошел нуклеосинтез Большого взрыва, и
- должен существовать космический микроволновый фон, пронизывающий всю Вселенную, который представляет собой запись фазового перехода, произошедшего при первом формировании атомов Вселенной.
- Эти особенности были получены многими людьми в течение многих лет; действительно, только в середине двадцатого века были сделаны точные предсказания последней особенности и наблюдения, подтверждающие ее существование. Нестандартные теории, разработанные либо исходя из разных допущений, либо противореча особенностям, предсказанным преобладающей стандартной моделью космологии.
Теории стационарных состояний[править]
Основная статья: Теория стационарных состояний
Теория стационарного состояния расширяет допущение об однородности космологического принципа, чтобы отразить однородность во времени, а также в пространстве. Этот "совершенный космологический принцип", как его стали называть, утверждал, что Вселенная выглядит одинаково везде (в больших масштабах), такой же, какой она всегда была и всегда будет. Это в отличие от лямбда-CDM, в котором Вселенная выглядела совсем по-другому в прошлом и будет выглядеть совсем по-другому в будущем. Теория стационарного состояния была предложена в 1948 году Фредом Хойлом, Томасом Голдом, Германом Бонди и другими. Чтобы поддерживать идеальный космологический принцип в расширяющейся Вселенной, космология стационарного состояния должна была установить "поле создания материи" (так называемое С-поле), которое вводило бы материю во Вселенную для поддержания постоянной плотности.
Дебаты между теорией Большого взрыва и стационарными моделями продолжались в течение 15 лет, и мнения разделились примерно поровну до открытия космического микроволнового фонового излучения. Это излучение является естественной особенностью модели Большого взрыва, которая требует "времени последнего рассеяния", когда фотоны отделяются от барионной материи. Модель стационарного состояния предполагала, что это излучение может быть объяснено так называемым "интегрированным звездным светом", который был фоном, частично вызванным парадоксом Олберса в бесконечной вселенной. Чтобы объяснить однородность фона, сторонники стационарного состояния предположили эффект тумана, связанный с микроскопическими частицами железа, которые рассеивают радиоволны таким образом, что создают изотропное реликтовое излучение. Предложенные явления были причудливо названы "космические железные усы" и служили механизмом термализации. В теории стационарного состояния не было проблемы горизонта Большого взрыва, поскольку предполагалось, что для термализации фона было доступно бесконечное количество времени.
По мере того, как стало собираться больше космологических данных, космологи начали понимать, что Большой взрыв правильно предсказал обилие легких элементов, наблюдаемых в космосе. То, что было случайным соотношением водорода к дейтерию и гелию в стационарной модели, было особенностью модели Большого взрыва. Кроме того, подробные измерения реликтового излучения с 1990-х годов с помощью наблюдений COBE, WMAP и Planck показали, что спектр фона был ближе к абсолютно черному телу, чем у любого другого источника в природе. Наилучшими интегрированными моделями звездного света, которые могли предсказать, была термализация до уровня 10%, в то время как спутник COBE измерил отклонение в одной части из 10 5. После этого драматического открытия большинство космологов убедились, что теория стационарного состояния не может объяснить наблюдаемые свойства реликтового излучения.
Хотя первоначальная модель стационарного состояния в настоящее время считается противоречащей наблюдениям (в частности, реликтовому излучению) даже ее сторонниками, были предложены модификации модели стационарного состояния, в том числе модель, которая предполагает, что Вселенная возникла в результате множества малых взрывов, а не одного большого взрыва (так называемый"квазистационарная космология"). Она предполагает, что Вселенная проходит периодические фазы расширения и сжатия с мягким "отскоком" вместо Большого взрыва. Таким образом, Закон Хаббла объясняется тем фактом, что Вселенная в настоящее время находится в фазе расширения. Работа над этой моделью продолжается (в первую очередь Джаянтом В. Нарликаром), хотя она не получила широкого признания.
Предложения, основанные на скептицизме наблюдений[править]
По мере того, как космология наблюдений начала развиваться, некоторые астрономы начали предлагать альтернативные предположения относительно интерпретации различных явлений, которые иногда становились частью нестандартных космологий.
Усталый свет[править]
Основная статья: Усталый свет
Теории усталого света бросают вызов общепринятой интерпретации Закона Хаббла как признака расширения Вселенной. Она была предложена Фрицем Цвикки в 1929 году. Основное предложение сводилось к тому, что свет теряет энергию ("устает") из-за пройденного расстояния, а не какого-либо метрического расширения или физического удаления источников от наблюдателей. Традиционным объяснением этого эффекта было приписывание фотонам динамического трения; гравитационные взаимодействия фотонов со звездами и другим материалом будут постепенно уменьшать их импульс, создавая красное смещение. Другие предложения для объяснения того, как фотоны могут терять энергию, включали рассеяние света промежуточным материалом в процессе, подобном наблюдаемому межзвездному покраснению. Однако все эти процессы также имеют тенденцию к размытию изображений удаленных объектов, и такого размытия обнаружено не было.
Было обнаружено, что традиционный усталый свет несовместим с наблюдаемым замедлением времени, связанным с космологическим красным смещением.[8] Эта идея в основном запоминается как фальсифицированное альтернативное объяснение закона Хаббла в большинстве дискуссий по астрономии или космологии.
Периодичность красного смещения и внутренние красные смещения[править]
См. также: Квантование красного смещения
Некоторые астрофизики не были убеждены в том, что космологические красные смещения вызваны универсальным космологическим расширением. Скептицизм и альтернативные объяснения начали появляться в научной литературе в 1960-х годах. В частности, Джеффри Бербидж, Уильям Тиффт и Хэлтон Арп были астрофизиками-наблюдателями, которые предположили, что в наблюдениях за красным смещением галактик и квазаров есть несоответствия. Первые два были известны тем, что предполагали, что в распределениях красного смещения галактик и квазаров есть периодичность. Однако последующие статистические анализы исследований красного смещения не подтвердили существование этих периодичностей.
Во время споров о квазарах в 1970-х годах те же астрономы придерживались мнения, что квазары демонстрируют высокие красные смещения не из-за их невероятного расстояния, а скорее из-за необъяснимых внутренних механизмов красного смещения, которые вызывают периодичность и ставят под сомнение Большой взрыв. Споры о том, насколько далекими были квазары, приняли форму дебатов о механизмах производства энергии квазарами, их кривых блеска и о том, проявляли ли квазары какое-либо правильное движение. Астрономы, которые считали, что квазары не находятся на космологических расстояниях, утверждали, что светимость Эддингтона установить ограничения на то, насколько далекими могут быть квазары, поскольку выход энергии, необходимый для объяснения видимой яркости космологически удаленных квазаров, был слишком высок, чтобы его можно было объяснить только ядерным синтезом. Это возражение стало спорным из-за улучшенных моделей аккреционных дисков с гравитационным приводом, которые для достаточно плотного материала (такого как черные дыры) могут быть более эффективными при производстве энергии, чем ядерные реакции. Споры прекратились к 1990-м годам, когда стали доступны доказательства того, что наблюдаемые квазары на самом деле являются сверхсветящимися ядрами далекихактивные ядра галактик и что основные компоненты их красного смещения на самом деле обусловлены потоком Хаббла.
На протяжении всей своей карьеры Хэлтон Арп утверждал, что в его наблюдениях квазаров и галактик были аномалии, и что эти аномалии служили опровержением Большого взрыва. В частности, Arp указал на примеры квазаров, которые находились близко к линии видимости (относительно) близлежащих активных, в основном сейфертовских галактик. В настоящее время эти объекты классифицируются под термином активные ядра галактик (AGN). Арп критиковал использование такого термина на том основании, что он не является эмпирическим. Он утверждал, что скопления квазаров выстраиваются вокруг ядер этих галактик и что квазары, вместо того, чтобы быть ядрами далеких AGN, на самом деле гораздо ближе и являются звездоподобными объектами, выброшенными из центров близлежащих галактик с высокими внутренними красными смещениями. Arp также утверждал, что они постепенно утратили свой некосмологический компонент красного смещения и в конечном итоге превратились в полноценные галактики. Это резко противоречит принятым моделям формирования галактик.
Самая большая проблема с анализом Arp заключается в том, что на сегодняшний день существуют сотни тысяч квазаров с известными красными смещениями, обнаруженных различными исследованиями неба. Подавляющее большинство этих квазаров никоим образом не коррелируют с соседними AGN. Действительно, благодаря усовершенствованным методам наблюдения вокруг квазаров было обнаружено несколько галактик-хозяев, что указывает на то, что эти квазары, по крайней мере, действительно находятся на космологических расстояниях и не являются объектами, которые предлагает Arp.Анализ Arp, по мнению большинства ученых, страдает от того, что основан настатистика малых чисел и охота за необычными совпадениями и странными ассоциациями. Непредвзятые выборки источников, взятые из многочисленных обзоров неба галактик, не показывают ни одной из предложенных "неправильностей", ни того, что существуют какие-либо статистически значимые корреляции.
Кроме того, неясно, какой механизм будет отвечать за собственные красные смещения или их постепенное рассеяние с течением времени. Также неясно, как близлежащие квазары могут объяснить некоторые особенности в спектре квазаров, которые легко объясняет стандартная модель. В стандартной космологии облака нейтрального водорода между квазаром и Землей создают линии поглощения Лаймана альфа , имеющие красное смещение, отличное от красного смещения самого квазара; эта особенность называется лес Лаймана-альфа. Более того, в экстремальных квазарах можно наблюдать поглощение нейтрального водорода, который еще не был реионизирован в особенности, известной как впадина Ганна–Петерсона. Большинство космологов рассматривают эту недостающую теоретическую работу как достаточную причину для объяснения наблюдений либо случайностью, либо ошибкой.
Халтон Арп предложил объяснение своих наблюдений с помощью "гипотезы переменной массы" Махиана.Теория переменной массы предполагает постоянное образование материи из активных ядер галактик, что относит ее к классу стационарных теорий. С уходом Хэлтона Арпа эта космология была низведена до уровня отвергнутой теории.
Плазменная космология[править]
Основная статья: Плазменная космология
В 1965 году Ханнес Альфвен предложил теорию "плазменной космологии" Вселенной, частично основанную на масштабировании наблюдений физики космической плазмы и экспериментов с плазмой в наземных лабораториях до космологических масштабов на порядки больше. Взяв за отправную точку симметрию материи и антивещества, Альфвен вместе с Оскаром Кляйном предложил космологическую модель Альфвена–Кляйна, основанную на том факте, что, поскольку большая часть локальной Вселенной состоит из материи, а не из антивещества, могут существовать большие пузыри материи и антивещества, которые будут глобально сбалансированы до равенства. Трудности с этой моделью стали очевидны почти сразу. Аннигиляция материи–антиматерии приводит к образованию фотонов высокой энергии, которые не наблюдались. Хотя было возможно, что локальная ячейка, в которой доминирует материя, просто больше, чем наблюдаемая вселенная, это предположение не поддавалось проверке наблюдениями.
Как и теория стационарного состояния, плазменная космология включает в себя сильный космологический принцип, который предполагает, что Вселенная изотропна как во времени, так и в пространстве. Явно предполагается, что материя существовала всегда или, по крайней мере, что она сформировалась в такое далекое прошлое, что навсегда осталась за пределами эмпирических методов исследования человечества.
Хотя плазменная космология никогда не пользовалась поддержкой большинства астрономов или физиков, небольшое число исследователей плазмы продолжали продвигать и развивать этот подход и публиковать его в специальных выпусках IEEE Transactions on Plasma Science. Несколько статей, касающихся плазменной космологии, были опубликованы в других основных журналах до 1990-х годов. Кроме того, в 1991 году Эрик Дж. Лернер, независимый исследователь в области физики плазмы и ядерного синтеза, написал популярную книгу в поддержку плазменной космологии под названием "Большого взрыва никогда не было". В то время среди космологического сообщества возобновился интерес к этой теме наряду с другими нестандартными космологиями. Это произошло из-за аномальных результатов, опубликованных в 1987 году Эндрю Ланге и Полом Ричардсоном из Калифорнийского университета в Беркли и Тошио Мацумото из Университета Нагои, которые показали, что космический микроволновый фон может не иметь спектра абсолютно черного тела. Однако окончательное объявление (в апреле 1992 года) спутниковых данных COBE исправило предыдущее противоречие Большого взрыва; популярность плазменной космологии с тех пор упала.
Альтернативы и расширения лямбда-CDM[править]
Стандартная модель космологии сегодня, модель Лямбда-CDM, оказалась чрезвычайно успешной в обеспечении теоретической основы для формирования структуры, анизотропий в космическом микроволновом фоне и ускоряющегося расширения Вселенной. Однако она не лишена своих проблем.[24] Сегодня существует множество предложений, которые бросают вызов различным аспектам модели Лямбда-CDM. Эти предложения обычно изменяют некоторые из основных характеристик Лямбда-CDM, но не отвергают Большого взрыва.
Анизотропная вселенная[править]
См. также: Темный поток
Изотропность – идея о том, что Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях – является одним из основных допущений, входящих в уравнения Фридмана. Однако в 2008 году ученые, работающие с данными микроволнового анизотропного зонда Уилкинсона, заявили, что обнаружили поток скоплений со скоростью 600-1000 км / с в направлении участка неба под углом 20 градусов между созвездиями Центавра и Вела.Они предположили, что движение может быть остатком влияния невидимых областей Вселенной до инфляции. Обнаружение является спорным, и другие ученые обнаружили, что Вселенная в значительной степени изотропна.
Экзотическая темная материя[править]
Основная статья: Темная материя
В лямбда-CDM темная материя представляет собой чрезвычайно инертную форму материи, которая не взаимодействует как с обычной материей (барионами), так и со светом, но все же оказывает гравитационное воздействие. Для создания крупномасштабной структуры, которую мы видим сегодня, темная материя является "холодной" ("C" в лямбда-CDM), то есть нерелятивистской. Темная материя не была окончательно идентифицирована, и ее точная природа является предметом интенсивного изучения. Основными кандидатами на роль темной материи являются слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP) и аксионы. Обе эти новые элементарные частицы, не включенные вСтандартная модель физики элементарных частиц. Основное различие между ними заключается в их массе: WIMP обычно имеют массы в диапазоне ГэВ, в то время как аксионы намного легче, с массами в диапазоне МэВ или ниже.
ВИМПы и аксионы - далеко не единственные кандидаты на темную материю, и есть множество других предложений, например:
Само-взаимодействующая темная материя, в которой частицы темной материи взаимодействуют сами с собой.
- Теплая темная материя, которая более релятивистская, чем холодная темная материя, но менее релятивистская, чем исключенная из наблюдений горячая темная материя.
- Нечеткая холодная темная материя, частицы которой намного легче аксионов – в диапазоне 10-22 эВ.
- Тем не менее, другие теории пытаются объяснить темную материю и темную энергию как разные аспекты одной и той же базовой жидкости (см. Темная жидкость) или выдвигают гипотезу о том, что темная материя может распадаться на темную энергию.
Экзотическая темная энергия[править]
Основная статья: Темная энергия
В лямбда-CDM темная энергия - это неизвестная форма энергии, которая имеет тенденцию ускорять расширение Вселенной. Она менее изучена, чем темная материя, и столь же загадочна. Самым простым объяснением темной энергии является космологическая постоянная ("лямбда" в лямбда-CDM). Это простая константа, добавленная к уравнениям поля Эйнштейна для получения силы отталкивания. На данный момент наблюдения полностью соответствуют космологической постоянной, но оставляют место для множества альтернатив, например:
Квинтэссенция, представляющая собой скалярное поле, подобное тому, которое вызвало космическую инфляцию вскоре после Большого взрыва. В квинтэссенции темная энергия обычно меняется со временем (в отличие от космологической постоянной, которая остается постоянной).
- Неоднородная космология. Одно из фундаментальных предположений лямбда-CDM заключается в том, что Вселенная однородна, то есть выглядит в целом одинаково, независимо от того, где находится наблюдатель. В сценарии неоднородной Вселенной наблюдаемая темная энергия является артефактом измерения, вызванным тем, что мы находимся в более пустой, чем в среднем, области пространства.
- Переменная темная энергия, которая похожа на квинтэссенцию в том, что свойства темной энергии меняются со временем (см. Рисунок), но отличается тем, что темная энергия не обусловлена скалярным полем.
Альтернативы общей теории относительности[править]
Основная статья: Альтернативы общей теории относительности
Общая теория относительности, на которой основана метрика FRW, является чрезвычайно успешной теорией, которая до сих пор выдерживала все испытания наблюдениями. :Однако на фундаментальном уровне она несовместима с квантовой механикой, и, предсказывая особенности, она также предсказывает свой собственный распад. Любая альтернативная теория гравитации немедленно подразумевает альтернативную космологическую теорию, поскольку текущее моделирование зависит от общей теории относительности в качестве базового предположения. Существует много различных мотиваций для изменения общей теории относительности, например, чтобы устранить необходимость в темной материи или темной энергии или избежать таких парадоксов, как брандмауэр.
Вселенная Махиана[править]
См. также: Теория Бранса–Дике и принцип Маха
Эрнст Мах разработал своего рода дополнение к общей теории относительности, в котором предполагалось, что инерция обусловлена гравитационными эффектами распределения массы во Вселенной. Это, естественно, привело к размышлениям о космологических последствиях такого предложения. Карлу Брансу и Роберту Дике удалось успешно включить принцип Маха в общую теорию относительности, которая допускала космологические решения, подразумевающие переменную массу. Однородно распределенная масса Вселенной привела бы к примерно скалярному полю это пронизывало Вселенную и служило источником гравитационной постоянной Ньютона; создавая теорию квантовой гравитации.
MOND[править]
Основные статьи: Модифицированная ньютоновская динамика и тензорно–векторно–скалярная гравитация
Модифицированная ньютоновская динамика (MOND) - относительно современное предложение для объяснения проблемы вращения галактик, основанное на изменении Второго закона динамики Ньютона при малых ускорениях. Это привело бы к крупномасштабному изменению универсальной теории гравитации Ньютона. Модификация теории Ньютона также подразумевала бы модификацию общей релятивистской космологии в той мере, в какой ньютоновская космология является пределом космологии Фридмана. В то время как почти все астрофизики сегодня отвергают теорию MOND в пользу темной материи, небольшое число исследователей продолжают ее совершенствовать, недавно включив теории Бранса–Дике в методы лечения, которые пытаются объяснить космологические наблюдения.
Тензорно–векторно–скалярная гравитация (TeVeS) - предлагаемая релятивистская теория, эквивалентная модифицированной ньютоновской динамике (MOND) в нерелятивистском пределе, которая призвана объяснить проблему вращения галактик без привлечения темной материи. Созданная Якобом Бекенштейном в 2004 году, она включает в себя различные динамические и нединамические тензорные поля, векторные поля и скалярные поля.
Прорыв Тевеса над МОНДОМ заключается в том, что он может объяснить явление гравитационного линзирования, космической оптической иллюзии, при которой материя искривляет свет, что было подтверждено много раз. Недавний предварительный вывод состоит в том, что он может объяснить образование структуры без CDM, но требует массивных нейтрино ~ 2 эВ (они также необходимы для некоторых скоплений галактик, включая скопление Пуль).[29][30]Однако другие авторы (см. Слосар, Мельчиорри и Силк) утверждают, что TeVeS не может объяснить анизотропию космического микроволнового фона и образование структуры одновременно, то есть исключить эти модели с высокой значимостью.
f (R) гравитация[править]
Основная статья: f (R) гравитация
f (R) гравитация - это семейство теорий, которые модифицируют общую теорию относительности, определяя другую функцию скаляра Риччи. Простейший случай - это просто функция, равная скаляру; это общая теория относительности. В результате введения произвольной функции может появиться свобода объяснения ускоренного расширения и формирования структуры Вселенной без добавления неизвестных форм темной энергии или темной материи. Некоторые функциональные формы могут быть вдохновлены поправками, вытекающими из квантовой теории гравитации. f (R) гравитация была впервые предложена в 1970 году Хансом Адольфом Бухдалом (хотя для имени произвольной функции было использовано φ, а не f). Она стала активной областью исследований после работы Старобинского по космической инфляции.[33]Широкий спектр явлений может быть получен из этой теории путем принятия различных функций; однако многие функциональные формы теперь могут быть исключены на основании наблюдений или из-за патологических теоретических проблем.
Смотрите также[править]
Библиография[править]
Арп, Халтон, Видят красное. Апейрон, Монреаль. 1998.
- Ханнес, Альфвен Д., Космическая плазма. Reidel Pub Co., 1981.
- Хойл, Фред; Джеффри Бербидж и Джаянт В. Нарликар, Другой подход к космологии: от статичной Вселенной через Большой взрыв к реальности. Издательство Кембриджского университета. 2000.
- Лернер, Эрик Дж., Большого взрыва никогда не было, Старинные книги, 1992.
- Нарликар, Джаянт Вишну, Введение в космологию. Паб "Джонс и Бартлетт".