Этот курс посвящен ключевым проблемам современной астрофизики: рождению, эволюции и финальной стадии жизни звезд. Некоторые из них, например, нейтронные звезды отличаются сверхвысокой плотностью вещества и сверхсильными магнитными полями — такие условия пока недостижимы для современных лабораторий. Как же ученые исследуют эти объекты? В курсе вы познакомитесь с работой специалистов астрофизики высоких энергий и нейтринной астрономии и разберетесь, зачем люди изучают вспышки сверхновых, ускорение заряженных частиц на космических ударных волнах и высокоэнергитичные нейтрино. А главы, посвященные теоретической и наблюдательной космологии, объяснят, как эта наука отвечает на вопросы о рождении Вселенной, динамике ее расширения и о формах материи ее заполняющих.
2.5 Ускоренное расширение Вселенной. Темная энергия
Loading...
Из курса от партнера Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
Астрофизика: от звезд до границ Вселенной
40 оценок
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
40 оценок
Из урока
Основы теоретической космологии
Этот раздел состоит из пяти лекций. В лекциях делается попытка представить слушателю курса общее представление о современной космологии. Что такое Галактика, одна ли наша галактика во Вселенной, откуда взялась Вселенная, что такое Большой взрыв, и немного об эволюции Вселенной, как происходило зарождение первых галактик, химическая эволюция вещества и др. Также вы узнаете, какие бывают формы материи, что такое темная материя и темная энергия, за что они отвечают и как они были открыты.
Познакомьтесь с преподавателями
Варшалович Дмитрий АлександровичФизик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий.
Заведующий кафедрой "Космические исследования" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]
70 % вещества в нашей Вселенной
определяется загадочной темной энергией.
Темная энергия, в отличие от темной материи,
обладает довольно уникальными и совершенно отличными свойствами.
В отличие от темной материи, которая кластеризуется и создает гравитационные
ямы, темная энергия принципиально не кластеризуется, она принципиально
распределена равномерно, однородно и изотропно по всей Вселенной, при этом
она обладает еще очень удивительным уравнением состояния вещества.
Плотность энергии, темной энергии, плотность энергии в данном случае —
это физический, обычный физический термин, так вот плотность энергии темной энергии
создает отрицательное давление и создает эффект антигравитации.
В обычной привычной нам жизни гравитация имеет один знак,
силы гравитации устроены таким образом, что всё друг к другу притягивается.
Массивные тела притягиваются друг к другу,
а вот темная энергия устроена таким образом, что она приводит к отталкиванию.
На больших расстояниях она приводит к тому,
что объекты начинают удаляться друг от друга,
они отталкиваются друг от друга, и к этому приводит наличие темной энергии.
Она приводит к увеличению пространства между этими объектами и к тому,
что они начинают разлетаться.
При этом то, что наша Вселенная расширяется,
было известно еще со времен Хаббла, но то, что она расширяется с ускорением,
является результатом существования в ней темной энергии.
И то, что она сейчас в современной эпохе доминирует, она составляет 70 %.
За факт ускоренного расширения Вселенной в 2011 году была получена Нобелевская премия
американскими и австралийскими учеными.
Первоначально их задачей было восстановить диаграмму
Хаббла с большей точностью и для бо́льших расстояний,
и для бо́льших скоростей, что они и начали делать.
При этом в качестве своей задачи они ставили не только
померить скорость расширения Вселенной, но и померить вторую производную,
то есть померить ускорение Вселенной.
И как они полагали, оно должно быть отрицательным, это ускорение.
То есть расширение Вселенной должно было происходить с замедлением,
потому что гравитация имеет только один знак,
и она должна была замедлять расширение Вселенной.
К своему удивлению они обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением,
и это означает как раз то, что во Вселенной около 70 %
вещества должна составлять темная энергия.
Как они обнаружили это ускорение?
Они использовали новые стандартные свечи,
с помощью которых смогли измерить расстояние и скорость до этих объектов.
В качестве таких стандартных свечей были выбраны такие астрофизические явления,
как вспышки сверхновых I типа a.
Это взрывающиеся звезды, взрывы этих звезд настолько мощные и
настолько яркие, что свет от них ярче, чем свет целых галактик.
И поэтому они видны с расстояний, на которых уже даже сама родительская
галактика, где происходит этот взрыв, не видны.
Это позволило измерить довольно большие расстояния до этих объектов,
измерить с очень хорошей точностью скорости, с которой они удаляются.
И это позволило с большой точностью промерить диаграмму Хаббла
и померить первую и вторую производную по изменению скорости расширения Вселенной.
И это привело к тому, что было обнаружено, что Вселенная ускоряется.
Но некоторое время вопрос о том, как ускоряется Вселенная,
был спорным, потому что их измерения могли быть,
значит, ускоренное расширение могло быть перепутано с
наличием пыли во Вселенной, которая приводила бы к потускнению
объектов и к кажущемуся эффекту удаленности этих объектов.
Чтобы определиться, действительно ли это ускоренное расширение,
были к оптическим наблюдениям добавлены еще наблюдения из телескопа «Хаббл»,
который смог продвинуться по расстояниям еще дальше.
На вот этом слайде видно, что чем дальше находится от нас объект,
тем он становится более тусклым до какого-то момента.
Но начиная приблизительно с космологического красного смещения,
равного единичке, увеличение расстояния объекта приводит к тому,
что он становится не тусклее, а ярче.
Это связано исключительно с космологическими эффектами распространения
света по искривленному пространству-времени.
Вот на этой кривой мы видим, что точки сперва начинают расти,
а это диаграмма — звездная величина от расстояния.
Так вот звездная величина, чем она больше и чем она положительнее,
тем тусклее звезда.
Чем звездная величина меньше и чем более она отрицательна, тем ярче звезда.
Вот видно, что сперва звездные величины ведут себя обычным,
привычным нам образом, то есть удаление объекта приводит к тому,
что он становится все более тусклым, то есть возрастают эти точки.
Но начиная с космологического красного смещения приблизительно z = 1,
эти точки начинают опускаться вниз, это означает, что звезды,
взрывы этих звезд мы видим ярче, чем они должны были бы быть
в обычной плоской геометрии, в обычной евклидовой геометрии.
А здесь мы видим вот это вот увеличение,
и это прекрасно согласуется с искривленным четырехмерным пространством-временем,
которое еще ко всему прочему, расширяясь, ускоряется.
Вот это видно на этом слайде.
Вот эти все данные позволили с очень хорошей точностью определить
количество темной энергии.
Мы знаем, что на сегодняшний момент мы находимся на стадии доминирования
темной энергии, ее около 70 %.
И все эти независимые исследования, все исследования по темной материи,
по барионной материи, по темной энергии,
по формированию крупномасштабной структуры галактик и скоплений галактик,
по анизотропии реликтового излучения привели к тому,
что мы сейчас с очень хорошей точностью знаем практически всё про космологию.
И следующий слайд демонстрирует, как это соотносится с тем,
что было на момент начала развития космологии как науки.
Когда появилась первое наблюдательное подтверждение, космологическое,
о том, что наша Вселенная расширяется, это был единственный параметр,
известный к тому моменту 1929 году.
Но вот на протяжении около 70–80 лет наука развивалась,
становилось все большее количество наблюдений,
все точнее эти наблюдения проводились.
Сейчас мы Вселенную описываем гораздо большим количеством параметров,
с гораздо большей точностью.
Мы знаем, как она эволюционировала в прошлом, мы знаем,
какие формы материи ее заполняли, в каком количестве.
Мы знаем довольно много,
но по мере развития космологии появились и новые нерешенные проблемы.
Такие проблемы, как темная энергия, темная материя.
С точки зрения астрофизики, мы знаем гравитационное их проявление, но что они
представляют из себя на микроскопическом уровне, что представляет из себя
темная материя и что представляет темная энергия, мы до сих пор пока не знаем.
Помимо этих проблем еще остались нерешенные проблемы,
связанные с таким понятием, как стрела времени.
Фундаментальные законы физики, они обратимы,
а в реальной жизни мы видим, что мы можем различать будущее и прошлое.
Точно так же и в космологии мы видим, что наша Вселенная развивается,
что прошлое отличается от будущего.
Чем это обусловлено?
Как решить проблему стрелы времени?
Это загадки, которые должны быть решены в будущем.
Барионная симметрия Вселенной.
Вселенная состоит из обычной материи,
антиматерии в ней нет в видимых и значимых количествах.
С точки зрения законов фундаментальной физики их количество должно было бы быть
одинаковым.
Почему так случилось, что во Вселенной есть только материя,
но отсутствует антиматерия, это вопрос будущих исследований.
Топологическая размерность нашего пространства, топология
и размерность нашего пространства — тоже довольно интересный вопрос.
Почему наше пространство четырехмерное?
Почему оно не бо́льших измерений?
Может быть, оно действительно обладает бо́льшим количеством измерений,
но современные теории не дают нам ответа на этот вопрос,
каково количество измерений в нашей Вселенной.
А это вопрос будущих экспериментов и будущих теорий.
Сингулярность Большого взрыва, то есть начальная точка,
которая не описывается фундаментальными законами физики на сегодняшний момент,
потому что отсутствует квантовая теория квантовой гравитации.
Развивающаяся теория суперструн предполагает объединение физики
элементарных частиц и гравитации, и создание квантовой гравитации, но пока что
никаких экспериментальных подтверждений правильности этой теории нет,
и до финального теоретического развития достаточно тоже далеко.
Поэтому будущие эксперименты в области астрофизики, в области космологии,
в области физики элементарных частиц совместно должны будут решить все эти
проблемы.
[БЕЗ_ЗВУКА]
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.
© Coursera Inc., 2019 Все права защищены.
