Учеными Астрокосмического центра Физического института им. Лебедева (АКЦ ФИАН) предложен новый способ исследований крупномасштабной структуры Вселенной путем определения пекулярных скоростей по собственным движениям галактик относительно неподвижных фоновых объектов. Знание пекулярных скоростей позволит получить точные данные о распределении массы во Вселенной, о расстояниях до других галактик и о космологической постоянной Хаббла.

    Известно, что все галактики подчиняются закону общего Хаббловского разбегания в контексте теории "Расширяющейся Вселенной". Однако если бы Вселенная подчинялась исключительно этому закону, то не существовало бы галактик. Факт неоднородного распределения массы во Вселенной говорит нам о геометрическом нарушении закона Хаббла. В связи с этим можно сказать, что на скорость движения галактик влияет не только закон Хаббла, но и отклонения от него, связанные с крупномасштабной структурой Вселенной. В космологии часть скорости, зависящая от структуры, называется пекулярной. 

    Измерение скорости для расчета космологических расстояний осуществляется сегодня с помощью эффекта Доплера, определения лучевой скорости по смещению линий спектра. В случае, когда объект удаляется - наблюдается красное смещение линий спектра.  Однако данный метод позволяет узнать только общую радиальную скорость. Точное же разделение этой полной скорости на Хаббловскую и пекулярную части является важнейшей нерешенной до сих пор задачей космологии. Ее решение как раз и было предложено сотрудниками АКЦ ФИАН В.Н. Лукашем и С.В. Пилипенко. 

    "До сих пор точных методов разделения космологии и структуры не было. Космология – это Хаббловский поток, структура – это нарушение Хаббловского потока. В принципе, это точная математическая задача, требующая своего решения. Но раньше не было технологий, которые бы позволяли получить необходимые параметры. Сейчас, с развитием миллиметровых и субмиллиметровых радиоинтерферометров, мы имеем возможность перейти от теории к практике," – разъяснил Владимир Николаевич Лукаш, сотрудник АКЦ ФИАН, доктор физико-математических наук, профессор.

    Для того, чтобы вычислить собственные пекулярные скорости галактик предложено измерять движения галактик на небесной сфере относительно дальних неподвижных объектов. При этом хаббловская компонента скорости, в силу своей радиальности, никакого вклада в эти сдвиги не вносит. Осуществление таких наблюдений стало возможным, благодаря появлению космических интерферометров, принцип действия которых основан на явлении интерференции. Интерферометр способен зафиксировать невидимые одиночным телескопам смещения космических объектов. Частью такого интерферометра является международный проект Радиоастрон, координатором которого выступает АКЦ ФИАН. Следующий планируемый проект – Миллиметрон, в задачи которого и войдет предложенный учеными метод вычисления пекулярных скоростей.  В проекте создание космической обсерватории миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. С помощью сети наземных и одного космического радиотелескопов одновременно будет осуществляться наблюдение выбранного объекта. Такие наблюдения необходимо будет повторить через несколько лет, чтобы найти смещение объекта. Полученные данные позволят вычислить пекулярную компоненту и, в результате, восстановить трехмерную модель скорости наблюдаемого объекта.

    "Изучая численные модели Вселенной, мы выяснили, что пекулярные скорости движения галактик не случайны и подчиняются такой закономерности, что могут быть описаны потенциальным полем скоростей. Это означает, что если мы измерим для большого количества галактик их скорости, ну скажем, в одном или двух направлениях, то после этого сможем восстановить трехмерные скорости ... И вот мы предложили это сделать не в численных моделях, а уже по настоящему, на практике. " – пояснил Сергей Владимирович Пилипенко, сотрудник АКЦ ФИАН, ассистент кафедры общей физики.

    Пекулярные скорости несут важную информацию о начальных космологических возмущениях плотности и о распределении массы во Вселенной. Разделение Хаббловской и пекулярной скоростей откроет невероятные перспективы понимания крупномасшатбной структуры Вселенной. Обладая точными данными о расстояниях и траекториях различных объектов во Вселенной, можно будет лучше понять прошлое и будущее нашей и соседних галактик. Данные же о распределении массы во Вселенной помогут человечеству еще на шаг приблизиться к разгадке тайны происхождения Мироздания.

 

Е. Барчугова, АНИ "ФИАН-Информ"

14.02.2013

    Ведущий научный сотрудник ФИАН Андрей Барвинский показывает, как  избавить одну из теорий гравитации, призванных объяснить явление темной энергии, от проблемы нарушения причинности. У существующих разных теорий этого явления есть свои проблемы, и их решение способствует непротиворечивой формулировке этих теорий и увеличивает шансы  на правильное описание природы.

    Существующие модификации теории гравитации нацелены на объяснение фундаментального явления в эволюции Вселенной – явления темной энергии, которая обуславливает важное свойство нашей Вселенной – ее ускоренное расширение. Этот факт был обнаружен в конце 90-х годов путем наблюдения светимости сверхновых звезд на больших расстояниях. До этого считалось, что расширение замедляет свой темп со временем. Для объяснения нового явления первым делом обратились к уже существующей модели. Дело в том, что модель теории, которая может описывать ускоренное расширение Вселенной, появилась еще в годы Эйнштейна. Собственно говоря, сам Эйнштейн предложил в качестве материи, которая может порождать ускоренное расширение Вселенной, так называемый космологический член – субстанцию, которая могла бы скомпенсировать притяжение между материальными телами.

    Рассказывает ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат. наук Андрей Барвинский: «Если вещество находится не в сжатом состоянии, а в растянутом, и его давление не просто отрицательное, а его величина, в соответствующих единицах, с точностью до знака равна плотности энергии вещества во Вселенной, то эту субстанцию можно отождествить с космологическим членом в уравнениях гравитации Эйнштейна.  Эта субстанция, как оказывается, не гравитирует, а антигравитирует, что приводит к расширению пространства-времени, и это расширение - ускоренное».

    Однако в объяснении ускорения Вселенной с помощью космологического члена есть один нюанс – его величина должна быть очень маленькой по сравнению с собственным масштабом энергии гравитации, который следует из величины гравитационного притяжения.

    «Закон притяжения двух массивных тел за счет гравитационного взаимодействия описывается гравитационной постоянной Ньютона. Энергетический масштаб квантовой гравитации, которая определяет значение гравитационной постоянной – 1019 ГэВ. Для сравнения, масса гипотетического бозона Хиггса – около 125 ГэВ. Так вот, для осуществления наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной космологическая постоянная должна быть в 1060 раз меньше, чем этот масштаб квантовой гравитации», – комментирует Андрей Барвинский.

    Настолько малая величина космологической постоянной выглядит противоестественно. И это нарушение естественности заставляет ученых искать другие модели, которые могли бы как-то объяснить этот странный масштаб. Альтернативная теория гравитации, которой занимается Андрей Барвинский, называется нелокальной теорией гравитации. Эта теория основана на построении такой модели Вселенной, в которой механизм темной энергии может реализоваться при любом возможном значении космологической постоянной.

    Андрей Барвинский: «Логика этой теории заключается в построении такой модели Вселенной, в которой темная энергия могла бы реализовываться при абсолютно любом значении ее плотности. Предлагается не закладывать конкретное значение космологической постоянной, а считать, что модель может существовать при любом значении этого параметра. Например, он там может возникать как параметр начального состояния Вселенной. А потом уже можно независимо пытаться решать вопрос – почему эти начальные данные были такими, что породили эту иерархию – 60 порядков между квантовой гравитацией и космологическим членом».

    Локальность теории означает, что ее уравнения устанавливают соотношения между значениями поля и их производными в одной и той же точке пространства-времени. Наоборот, в нелокальной теории эти уравнения таковы, что поле выражается через себя само не только в той же точке, но и через значения поля во всем пространстве-времени. То есть это взаимодействие не точечное, а носит очень дальнодействующий характер. И это может привести к существенным трудностям, в частности, к проблеме нарушения причинности.

 Если окажется, что поведение поля в одной точке определяется значениями поля не только в прошлом относительно этой точки, но также и в будущем, то происходит нарушение причинности – будущее влияет на наше настоящее. Однако с точки зрения рациональной физики любая теория должна удовлетворять условиям причинности. В своей работе (http://arxiv.org/abs/1107.1463) Андрей Барвинский изучает проблему того, каким образом теория гравитации может быть нелокальной, но при этом сохранять причинное поведение:

    «Техника, которая позволяет непротиворечивым образом построить такую нелокальную теорию поля, называется техникой Швингера-Келдыша. Она гарантирует, что уравнения для средних полей в квантовой теории, хотя и являются нелокальными, но их нелокальность носит запаздывающий характер. То есть, на физическое поведение в данной постранственно-временной точке могут оказывать влияние только события, которые происходят в прошлом относительно этой точки. Или, с позиции  специальной теории относительнлсти Эйнштейна, они находятся в прошлом световом конусе от данной точки наблюдения».

    Что же касается космологического члена, то «хотя он и мал по сравнению с квантовым гравитационным масштабом, порядок его величины примерно такой же, как и порядок средней плотности вещества во Вселенной в настоящий момент», – подытоживает Барвинский.

С. Чуваева, АНИ "ФИАН-Информ"

22.01.2013