[Перевод] Тёмная энергия и тёмный поток – как всё это объяснить?

Всматриваясь в этот мрак, я долгое время стоял, изумленный, полный страха и сомнения, грезя такими грезами, какими не дерзал ни один смертный
— Эдгар Аллан По

В 2011 году нобелевская премия по физике была присуждена троим учёным за открытие ускоренного расширения Вселенной.

Каков физический смысл этого явления?

Если бы во Вселенной случилось некое изначальное расширение, сопровождаемое всеобщим гравитационным притягиванием, можно было бы ожидать, что чем дальше от вас удалялся объект, тем меньше становилась бы его скорость убегания.

При достаточном количестве материи расширение должно было проиграть гравитации, и все объекты, удаляющиеся от нас сегодня, поменяли бы своё направление движения и начали бы двигаться в нашу сторону.

А если бы её не было достаточно, то победило бы расширение, и удаляющиеся объекты замедлялись бы, но всё равно продолжали бы убегать от нас целую вечность.

Но если расширение ускоряется, то всё становится немного сложнее.

Вместо трёх изображённых на графике случаев ускорения (когда Ω > 0, и скорость убегания любой галактики со временем уменьшается), или даже в случае пустой Вселенной (Ω = 0, и скорость убегания остаётся постоянной), во Вселенной с ускоряющимся расширением скорость убегания галактик со временем растёт!

До 1990-х предполагалось, что расширение Вселенной замедляется, и что для понимания как истории, так и судьбы Вселенной, необходимо было сделать два важных измерения.

Первое – H_o, значение постоянной Хаббла на сегодня. Если галактика находится на определённом расстоянии от нас, она должна убегать от нас с определённой скоростью, определяемой законом Хаббла. Для сравнительно близких объектов (галактик, находящихся не далее, чем в миллиарде световых лет от нас), ускоряющаяся, замедляющаяся или пустая Вселенная выглядят одинаково.

Второе важное измерение, q_o, параметр замедления, говорит нам о том, ускоряется или замедляется Вселенная, и он очень чувствителен по отношению к движению удалённых объектов. На картинке выше у самой нижней линии q_o = +½, у средней q_o ≈ +0,1, а у верхней – лучше всех соответствующей положению дел в реальной Вселенной – q_o ≈ -0,6. Обычно я предпочитаю не упоминать точных значений, но это важно, поэтому просто запомните, что лучше всего к нашей Вселенной подходит параметр q_o ≈ -0,6.

Отрицательное значение говорит о том, что Вселенная не замедляется, а ускоряет своё расширение! И мы узнали об этом, наблюдая за этими яркими, хорошо известными объектами, заметными на больших расстояниях: сверхновыми!

В прошлом было сделано много попыток объяснить наблюдения чем-то другим вместо ускоренного расширения, и я написал много статей, подробно описывающих то, как они провалились.

Но недавно появилась новая идея, получившая некоторую огласку: нечто под названием «тёмный поток» может приводить к видимости ускоренного расширения!

Космолог Кристос Цагас [Christos Tsagas] завершил работу, продолжающую одну из предыдущих работ, подмечающую кое-что очень хитрое.

Закон Хаббла – отношение между видимой скоростью убегания объекта и расстоянием до него – в среднем выполняется, но плохо предсказывает скорость какого-то конкретного объекта.

Каждый объект, будучи захваченным всеобщим расширением Вселенной, также подвергается локальной гравитации, добавляющей дополнительное движение поверх хаббловского расширения, известное, как пекулярная скорость. Неудивительно, что мы это не только наблюдаем, но и получаем в предсказаниях различных симуляций.

Многократно измерено, что относительно однородной температурной поверхности реликтового излучения наша галактика имеет пекулярную скорость в 627 км/с, что довольно много: 2,3 млн км в час! (Mдипольная анизотропия).

Этот диполь не точно описывает нашу пекулярную скорость. Они должны быть связаны, но поскольку Земля вращается вокруг Солнца, Солнце – вокруг Галактики, а на Галактику действуют все остальные галактики, это пекулярное движение со временем меняется.

Мы подсчитали пекулярные скорости множества объектов по соседству с нами. И мы обнаружили, что не только многие из них группируются в небольшие, совместно движущиеся группы, но и такое совместное нехаотичное движение, названное тёмным потоком, существует и на масштабах в сотни миллионов световых лет!

И тут появляется Цагас со своей хитроумной идеей. Он обнаружил, что если вы двигаетесь относительно покоящегося реликтового излучения, это относительное движение приводит к тому, что в вашем местном регионе космоса скорость расширения отличается от общей скорости расширения Вселенной!

Этот эффект сильнее всего сказывается на близлежащей Вселенной, поскольку при переходе на всё большие масштабы ваша пекулярная скорость, будь она хоть тысячи километров в секунду, в итоге окажется пренебрежимо малой по сравнению с хаббловским расширением.

Теперь вспомним, что лучше всего к данным подходит модель с параметром замедления q_o ≈ -0,6, хотя в самые ранние времена – когда тёмная материя не имела решающего значения – во Вселенной доминировала материя, и величина параметра замедления составляла q_o ≈ +½.

Главный вопрос в том, может ли модель Цагаса объяснить космологические данные по сверхновым, которые объясняет тёмная энергия. И в его пользу можно отнести то, что он честно освещает свои результаты и то, как они ведут себя по сравнению с общепринятой космологией.

Ответ: не может. Его модель выдаёт параметр замедления не менее q_o ≈ -0,3. И этот параметр довольно быстро стремится к нулю, и затем становится небольшим и положительным (но гораздо меньшим, чем q_o ≈ +½, предсказанным стандартной моделью ΛCDM) до z = 0,3. И мне кажется, что это будет большой проблемой на промежуточных красных смещениях, которые лучше всего поддерживают модель тёмной энергии.

Я взял лучшие из доступных данных по сверхновым, несколько моделей, включая тёмную энергию, пустую вселенную и другие (с сайта Неда Райта), и попытался сопоставить их с моими расчётами по модели Цагаса.

Выставляю отличные оценки модели Цагаса за выраженный, хотя и недостаточный, ранний подъём кривой, ведь она достигает этого безо всякой тёмной энергии или полей отрицательного давления! Но низкая плотность игрушечной вселенной Цагаса даёт предсказания, слишком близкие к «пустой вселенной», модели, не соответствующей сверхновым промежуточного красного смещения.

Так что это забавная игрушка, и её возможность выдавать положительное ускорение впечатляет, но вряд ли она заменит тёмную энергию. Но мне всегда интересно изучать альтернативы, и каждый раз после этого я ещё больше убеждаюсь в том, каким впечатляющим выглядит подтверждение теории тёмной энергии!