Темная Энергия

Поль Фрэмптон

	Перевод: Елена Н. Кириллова	Оригинальная статья
		astro-ph/0409166

1. План

• Какие наблюдения и теоретические предположения подразумевают наличие Темной Энергии (ТЭ)?
• Если общая относительность (ОТО) верна на всех масштабах длины (наиболее консервативное предположение), тогда существование ТЭ следует из Суперновых типа 1А (C1A), или, независимо, из Космического Микроволнового Фонового Излучения (ФИ), скомбинированного с Крупномасштабной Структурой (КС)
• Всерьез ли мы считаем, что ОТО верна на больших расстояниях?

 

2. Уравнения Эйнштейна-Фридмана

Эйнщтейновские уравнения связывают геометрию с Левой Стороны (ЛС) с распределением массы-энергии с Правой Стороны (ПС):

Gμν = - 8πGTμν.

(1)

Мы не решаемся изменить ЛС, но она действительно точно проверена только для масштабов Солнечной Системы (СС). На космологических масштабах мы можем рассматривать модификацию ОТО - такую, как гравитация более высокого порядка (higher-dimensional gravity).

Если с ПС мы включаем только излучение и Темную Материю (ТМ), этого недостаточно (при неизменной ЛС) и необходимо добавить член, называемый космологической константой, или, в более общем понимании, темной энергией.

 

3. Наблюдательные следствия

Что может ограничивать ТЭ?

• Измерение истории расширения H(t)
• Временная зависимость уравнения состояния w(t)
• Поиск каких либо свойств ТЭ группироваться. В настоящем нет никаких доказательств этому
• Как ТЭ связана с ТМ? Это связано с вопросом о группировании ТЭ (если ТЭ группируется)
• Локальные проверки ОТО и принципа эквивалентности, хотя экстраполяция ОТО с СС на Вселенную на 13-15 порядков величины сравнима с экстраполяцией с шкалы слабого взаимодействия на шкалу ТВО в феноменологии частиц. Обычный метод при отсутствии гипотез.

 

4. Λ как ТЭ: почему 10^-122 (планк.массы)⁴?

Мы знаем по Лэмбовскому сдвигу и Эффекту Казимира в квантовой электродинамике, что вакуумные флуктуации - это реальный эффект.

Если мы рассчитаем значение Λ, оно будет попросту иметь ультрафиолетовую (УФ) четвертичную расходимость. Наиболее естественное УФ-обрезание в ОТО есть Планковская масса ~ 10¹⁹ ГэВ, и тогда

Λ ~ (1019 ГэВ)4 = (1028 эВ)4 = 10112 (эВ)4.

(2)

Если, вместо этого, мы используем масштаб слабого взаимодействия ~ 100 ГэВ как УФ-обрезание, то приходим к

Λ ~ (100 ГэВ)4 = (1011 эВ)4 = 1044 (эВ)4.

(3)

Наблюдаемое значение Λ, однако, всего лишь

Λ ~ (3*10-3 эВ)4 ~ 10-10 (эВ)4.

(4)

 

5. Проблема совпадения

Существует и вторая проблема с Λ, будто бы проблемы "тонкой подстройки" Λ было недостаточно - проблема совпадения. Давайте обозначим Ω_Λ = ρ_Λ/ρ_C как долю критической плотности ρ_C.

Сегодняшнее значение Ω_Λ~0.7, но это масштабируется, поскольку ρ_Λ постоянно и мы предполагаем Ω_общее=1. При этом ρ_C^-1 ~ (1+Z)^-3, так что при красном смещении Z>10    Ω_Λ<0.001, в то время как при будущем красном смещении Z<-0.9 получим Ω_Λ>0.999.

Если построить график Ω_Λ относительно log R по космической истории от -60 до +60, т.е. -60 < log R< +60, он окажется подобным ступенчатой функции, меняющейся от 0 до 1 (резко) в районе текущей эпохи. Еще более впечатляет график dΩ_Λ/dR, который аппроксимируется Дираковской дельта-функцией, и проблема совпадения звучит так: почему мы живем точно в середине пика дельта-функции?

Если ТЭ появилась раньше, она бы вмешивалась в формирование структур, если позже, мы бы еще и не подозревали о ней.

 

6. Возможность квинтэссенции

Можно провести одну параметризацию ТЭ, используя динамическое скалярное поле, сейчас называемое "квинтэссенцией".

6.1. Масштабирующие потенциалы

Примеры таковы:

V ~ e-λΦ,

(5)

как в [1,2],

V ~((Φ - A)2 + C) e-λΦ,

(6)

как в [3].

6.2. Следящие потенциалы

Примеры таковы:

V ~ Φ-α,

(7)

как в [4],

V ~ exp(M/Q - 1),

(8)

как в [5].

6.3. Подходы к проблеме совпадения

Можно предположить, что наша Вселенная переживает эпохи ускорения с потенциалом

V ~ M4 e-ΛΦ (1+A sin αΦ).

(9)

Другая возможность - признать важность того, что наша эпоха близка ко времени равновесия материи и излучения. Это можно воплотить в неминимальной связи с материей [7], гравитацией [8] или в теории k-эссенции с нетривиальным кинетическим членом в лагранжиане [9].

 

7. Темная энергия с уравнением состояния w = p/ρ < - 1

Сегодняшние данные о C1A, ФИ и КС согласуются со значением w = -1 (при этом w является космологической константой).

Однако, по той причине, что возможность w<-1 все еще допускается [10], я уделю этому несоразмерное количество времени, поскольку, если данный факт подтвердится, он будет означать рождение новой физики.

Одна из интерпретаций темной энергии приходит из струнной теории: замкнутые струны на тороидальной космологии [11]. Обобщенно, это ведет к w<-1 [12].

В целом без ТЭ (как это было в большинстве космологических текстов до 1998), судьба Вселенной была связана с геометрией простым образом: Вселенная будет расширяться всегда, если она открыта или плоская. Вселенная прекратит расширяться и будет сжиматься до Большого Хруста (to a Big Crunch), если она замкнута.

С ТЭ эта связь между геометрией и судьбой Вселенной утеряна, и будущий удел Вселенной зависит полностью от того, как будет развиваться доминирующая в настоящем темная энергия.

Этот вопрос изучался в [13,14,15]. Если w<-1 и w не зависит от времени, масштабный фактор расходится до конечного времени в будущем - Большого Разрыва (Big Rip). Вообще говоря, этот момент отнесен в будущее, по крайней мере, настолько же далеко, как Большой Взрыв - в прошлое.

Может ли иметь такая космология философскую привлекательность? Здесь есть симметрия между прошлым и будущим.

Если мы допускаем временную зависимость w(t), есть два возможных исхода:

1. бесконечно живущая Вселенная, где ТЭ доминирует во все будущие времена;
2. исчезновение ТЭ, когда во Вселенной снова начинает доминировать материя.

Случай w<-1 приводит к некоторым крайне интересным для теоретической физики загадкам.

Есть вопрос нарушения слабого энергетического условия (?) всюду принятого в ОТО. Это означает, что существуют инерциальные системы, в которых энергетическая плотность отрицательна, что указывает на нестабильность вакуума.

Давайте сделаем три предположения, каждое из которых может быть некорректным: настолько, чтобы мы могли сказать что-нибудь еще. Вот они:

1. существует стабильный вакуум с Λ=0;
2. темная энергия распадается в него посредством фазового перехода 1 порядка;
3. существует некоторое, хотя и слабое, взаимодействие между темной энергией и электромагнитным полем.

Тогда можно использовать старые аргументы [18] для исследования нуклеосинтеза. Результатом является то [16], что даже при тончайшей связи между темной энергией и электромагнитным полем темная энергия должна была спонтанно распасться задолго до достижения соответствующего радиуса пузыря - хотя бы галактического размера.

В этой модели из-за того, что энергетическая плотность ТЭ так мала по сравнению с плотностью энергии, например, обычного макроскопического магнитного поля порядка 10 Тл, фазовый переход 1 порядка может быть успешно подавлен только лишь отделением ТЭ от всех видов сил, кроме гравитационных, или же аргументом могло быть, что между галактиками или большими объектами в таком случае должны происходить столкновения. Определенно, ни на какой земной эксперимент не может оказываться влияние. Одно противоречащее этому предположение в эксперименте Джозефсоновского стыка могло бы быть объяснено другими причинами, см. в [19].

Конечно, это только игрушечная модель, но общее заключение, вероятно, корректно - что не может быть никакого микроскопического эффекта темной энергии.

Это делает ТЭ очень трудной или невозможной для исследования, за исключением астрономических наблюдений.

 

8. Темная энергия и нейтрино

Многими теоретиками замечено, что плотность ТЭ ~ (10^-3 эВ)⁴ есть, предположительно, масса нейтрино.

Очень интересные попытки усилить такую связь были сделаны в [20,21]. Такие модели с переменной массой нейтрино пытаются установить прямую идентификацию плотности ТЭ с самой нейтринной массой [22,23].

 

9. Точный эксперимент

Мы хорошо знаем точные эксперименты для проверки Ньютоновского Закона Гравитации вплоть до расстояния 100 микрон и ниже.

Один родоначальник таких идей предложил другую точную проверку, расстояние от Земли до Луны до похожей точности в 100 микрон (вероятно, имелось в виду расстояние между центрами масс). Частная модификация гравитации может очень тонко влиять на нашу лунную систему. Ясно, что если этот эксперимент удастся произвести, существующая точность повысится до уровня сантиметра, это будет впечатляющее достижение.

 

10. Заключение: наблюдение и теория

• Теоретическая общность еще только должна прийти с определенным предложением по объяснению ТЭ.
• Природа ТЭ настолько глубока для космологии и физики частиц, что мы отчаянно нуждаемся в большем количестве C1A-наблюдений в важных экспериментах, предложенных, например, SNAP (чьи исследования, к сожалению, приостановил фонд NASA в результате приоритизации работ, связанных с отправкой человека на Марс), так же, как и дополнительные наблюдательныеограничения на ФИ, к примеру, проделанных представительством Планка.
• Уравнение состояния должно быть решающим. Если w=-1, это есть космологическая константа со своей проблемой тонкой подстройки и проблемой совпадения. Если w>-1, квинтэссенция получит выстрел из ружья.
• Если данные будут склоняться к w<-1, мы можем присутствовать на рассвете революции в терии, основанной на общей относительности, на очень больших пространственных масщтабах, вызывающих вопросы.

Публикации с ключевыми словами: Космология - лямбда-член - темная энергия Публикации со словами: Космология - лямбда-член - темная энергия
См. также: Разложение далекого света Слухи о темной Вселенной Формирование галактик в магнитной Вселенной "Эффекты" Зельдовича, запечатлённые на нашем небе Сила из пустоты: эффект Казимира Сверхновая 1994D и неожиданная Вселенная Куда смещается красное смещение? Все публикации на ту же тему >>