Темная энергия в ближней Вселенной

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ в БЛИЖНЕЙ ВСЕЛЕННОЙ
А.Д. Чернин
ГАИШ МГУ
Соавторы:
И.Д. Караченцев, Д.И. Макаров, О.Г. Насонова (САО)
Ю.В. Барышев, Д.И. Нагирнер, С.В. Старикова (СПбУ)
П. Теерикорпи, М.Ю. Валтонен, П. Нурми (Turku U.)
Дж. Дж. Бёрд (Alabama U.)
В.П. Долгачев, Л.М. Доможилова, Н.В. Емельянов (ГАИШ)
Удивительно то, что закон Хаббла
приблизительно справедлив в
масштабах, меньших чем масштаб
неоднородности плотности
Я.Б. Зельдович
Избранные труды. Том 2
Наука, 1985, стр. 280
Закон Хаббла (1929)
Галактики движутся, удаляясь от нас.
Скорость удаления галактики V прямо
пропорциональна расстоянию R до нее
V = H R
H = 530 km/s/Mpc – постоянная Хаббла
Принятая сейчас величина ≈ 70 км/с/Мпк
Hubble 1929
Hubble (1929)
Lemaitre (1927)
VR
<V/R> = 575 km/s/Mpc
H = 530 km/s/Mpc
H. Duerbeck (2011)
Закон Хаббла открыл Лемэтр
A. Sandage (1960s):
Расстояния до галактик у Хаббла на
самом деле раз в 10 больше, чем он
[и Лемэтр] думал
Но и с этой поправкой еще очень
далеко до глобальных масштабов,
где применима фридмановская теория
космологического расширения
Космология Фридмана (1922-24) описывает
Вселенную, которая однородна по
плотности вещества в среднем в масштабах
> 300-1000 Мпк
В однородном мире Фридмана
космологическое расширение происходит
так, что галактики, их группы и скопления
разбегаются друг от друга по закону Хаббла,
-- что и подтвердили наблюдения на
глобальных расстояниях, когда они стали
достижимыми (с середины 1990-х гг.)
Но нет никаких оснований ожидать
существования квази-хаббловских потоков
в локальных масштабах ~ 1-10 Мпк, где
вещество сильно неоднородно по плотности
И тем не менее именно на локальных
НЕ-КОСМОЛОГИЧЕСКИХ
расстояниях и был открыт закон Хаббла
Я.Б.: Удивительно…
2004
Riess, Schmidt et al. (1998), Perlmutter et al. (1999)
НST наблюдения
космологического
расширения
на расстояниях ≈ 10 Гпк
2011
* Вселенная расширяется с ускорением
* Причина ускорения – эйнштейновское
антитяготение, описываемое
космологической постоянной  > 0
Антитяготение
создается не телами природы, а
«темной энергией» -не известной ранее невидимой
идеально однородной космической
средой постоянной плотности
 = с2/(8G) ≈ 0.7 • 10-29 г/см3
(в любой системе отсчета)
Темная энергия доминирует
в наблюдаемой Вселенной
темная энергия (=)
темная материя
барионы + …
≈ 72%
≈ 23%
≈ 5%
полная плотность мира ≈ 10-29 г/см3
возраст мира ≈ 14 млрд лет
По модели Фридмана без темной
энергии ( = 0) возраст мира был бы
около 8 млрд лет, что меньше возраста
старых звезд Галактики
В 1960-е гг. Шкловский, Кардашев,
Зельдович считали этот факт
эмпирическим указанием на
существование в мире
эйнштейновского антитяготения
Этот параметр оказывается
существенным лишь в масштабе
всей Вселенной и потому получил
название «космологическая
постоянная». Ее обозначают ,
размерность  - см-2
Я.Б. Зельдович, И.Д. Новиков
Строение и эволюция Вселенной
Наука, 1975, стр.126
«…уже из размерности видно, что
связанные с этой величиной
эффекты характеризуются
безразмерным произведением L2,
где L – характерная длина.
…космологические наблюдения
ограничивают значение 
величиной || < 10-55 см-2»
Тогда L > 3 • 1027 cm
Ближняя Вселенная: Группа и поток
Масса группы
M = (2-4) • 1012 Msun
Радиус группы
R = (1-1.3) Mpc
Караченцев и др. 2006
Ближняя Вселенная
в пространстве скорость-расстояние
Группа
Поток
Караченцев и др. 2005-09
«Закон Хаббла приблизительно справедлив»
Ньютон (1687): Всемирное тяготение
Любые два тела природы
притягиваются друг к другу с силой
FN = - G M / R2
(на единицу массы)
Эйнштейн (1917): Всемирное антитяготение
Любые два тела природы отталкиваются
друг от друга с силой
FE = + (c2/3)  R
 - космологическая постоянная
Модель потока: Динамика
M
Группа –
сферическая масса М
FN
FE
FN = - G M R-2 ,
Галактики-карлики
радиального потока -пробные частицы
FE = + (8/3) G ρ R
Потенциал тяготения-антитяготения
Радиус нулевого тяготения
M
Антитяготение сильнее
тяготения при
R > R = [ 3 M/(8 ρ) ]1/3
Для M = (2-4) •1012 Msun
R = 1.3-1.6 Мпк
Чернин и др. 2000
Поток: доминирует антитяготение
V = H0 R
V = HΛR
R = 1.3-1.6 Mpc
N
RZG=1.2-1.5 Mpc
FE < |F |
V = H R
RZG = 1.3-1.6 Mpc
HST data
E
Karachentsev et al. 2009
F > |FN|
Поток ускоряется
Теория и наблюдения
V = H R
H = [(8G/3) ]1/2 = 61 км/с/Мпк
Фазовый аттрактор
R  , V  HR
Аттрактор
V = H R
H = [(8G/3) ]1/2 = 61 км/с/Мпк
Безразмерные переменные
x = R/R
y = V/(HR)
H = [(8G/3) ]1/2 = 61 км/с/Мпк
Асимптотическая постоянная Хаббла
Теория: Фазовый аттрактор
x  , y  x
y=x
y
y
Параметр
аттрактора
H = [(8G/3) ]1/2
x
Компьютерное моделирование
V = H R
(20 Mpc)3, n = 108
R
Nurmi et al. 2010
Локальные данные
Караченцев и др. (2005-14)
Локальные потоки вокруг 4 групп и
скоплений Вирго и Форнакс
≈ 300 орбит HST+ БТА, Аресибо Диск и др.
≈ 300 расстояний до близких (D < 11 Мпк)
галактик с рекордной точностью до 10%
+
красные смещения галактик
с точностью до 5-10 км/с
HST: 3 группы с потоками
y
N = 152
x
HST: 6 потоков
Автомодельность
N = 125
Закон Хаббла: 1-300 Мпк
Идеально однородная темная энергия
доминирует по плотности почти всюду
во Вселенной и делает ее почти везде
почти однородной
Критерий динамического
доминирования
<ρM> <
2 ρΛ
эквивалентен условию R > RΛ
В локальных объемах с поперечником
1-300 Мпк антитяготение темной энергии
создает и ускоряет потоки, сообщая им
динамическую устойчивость
и универсальную автомодельную структуру
y
x  , y  x
y=x
V=HΛR
x
V = HR -- общая асимптотика потоков
всех масштабов от ~ 1 Мпк до Вселенной
как целого. Поэтому
«закон Хаббла
приблизительно справедлив…»
везде
Заключение
*Локальные квази-хаббловские потоки –
прямое указание на присутствие темной
энергии в локальных масштабах 1-300 Мпк
*Потоки существуют в областях, где
эйнштейновское антитяготение темной
энергии сильнее ньютоновского тяготения
темной материи и барионов.
*Антитяготение создает и ускоряет потоки,
сообщая им динамическую устойчивость
и универсальную автомодельную структуру
Заключение
*Локальные квази-хаббловские потоки –
прямое указание на присутствие темной
энергии в локальных масштабах 1-300 Мпк
*Потоки существуют в областях, где
эйнштейновское антитяготение темной
энергии сильнее ньютоновского тяготения
темной материи и барионов.
*Антитяготение создает и ускоряет потоки,
сообщая им динамическую устойчивость
и универсальную автомодельную структуру
Универсальная структура потока
y
y
Параметр
аттрактора
H = [(8G/3) ]1/2
x
Sandage et al. (2006):
The constancy of H from global cosmic scale
down to 4.4 or even 2.5 Mpc in spite of
inhomogeneous mass distribution requires a
special agent. Vacuum [dark] energy has been
proposed by several authors (Baryshev et al.
2001, Chernin 2001, Chernin et al. 2003a,b, Thim
et al. 2003, Teerikorpi et al. 2005). It has no
viable alternative at present.
Sandage et al. (2006):
The constancy of H from global cosmic
scale down to 4.4 or even 2.5 Mpc in spite
of inhomogeneous mass distribution
requires a special agent. Vacuum [dark]
energy has been proposed by several
authors (Baryshev et al. 2001, Chernin
2001, Chernin et al. 2003a,b, Thim et al.
2003, Teerikorpi et al., 2005). It has no
viable alternative at present.
Ближняя Вселенная
проекция на супергалактическую плоскость (
=======================================
Караченцев и др. 2006