Млечный Путь № 2 2021

Когда дело доходит до Вселенной, то, что вы легко видите, не всегда соответствует тому, что есть на самом деле. Это одна из важных причин, по которой теории и наблюдения/измерения должны идти рука об руку: наблюдения говорят о том, что мы видим, используя лучшие из наших измерительных возможностей, а теория позволяет сравнивать то, что мы ожидаем, с тем, что видно на самом деле. Когда наблюдения и теория совпадают, это обычно указывает на то, что мы довольно хорошо понимаем, что на самом деле происходит. Но когда совпадения нет, это признак того, что либо теоретические правила, которые мы применяем, не совсем подходят для этой ситуации, либо есть дополнительные ингредиенты, которые наши наблюдения напрямую не выявили.

Многие из самых больших несоответствий во Вселенной указывают на два дополнительных ингредиента: темное вещество и темную энергию. Могут ли они быть двумя сторонами одной медали? Вот что хочет знать Деннис Дэниел, спрашивая: "Темное вещество и темная энергия отделены друг от друга или интегрированы? Если они разделены, взаимодействуют ли они и что их разделяет? Если они интегрированы, как мы их различим?"

Рисунок Центр

Фотографии сделаны с двадцатилетним промежутком и показывают звезды около центра нашей Галактики. Обратите внимание, как улучшились разрешение и чувствительность аппаратуры. Изображения становятся более резкими, и все центральные звезды вращаются вокруг невидимой точки: центральной черной дыры нашей Галактики, что соответствует предсказаниям общей теории относительности Эйнштейна.

Во Вселенной есть всевозможные головоломки, над которыми стоит задуматься, но в самых больших космических масштабах каждая из них носит гравитационный характер. Мы думаем, что знаем, что такое наша теория гравитации, поскольку общая теория относительности Эйнштейна успешно продолжает проходить тест за тестом. Независимо от того, какое явление мы используем, то, что предсказывает теория, точно совпадает с тем, что мы наблюдаем. Мы видим, как масса отклоняет лучи света в точном соответствии с предсказаниями теории Эйнштейна: от света звезд, отклоняемого Солнцем в нашей Солнечной системе до огромных галактик, квазаров и скоплений галактик, которые гравитационно линзируют фоновый свет. Мы видим гравитационные волны с частотой и амплитудой, которые предсказывает теория Эйнштейна для слияния черных дыр и движущихся по спирали друг около друга нейтронных звезд.

Список успехов Эйнштейна велик: от гравитационного красного смещения до эффекта Лензе-Тирринга и прецессии черных дыр на орбитах в двойных системах, до гравитационного замедления времени и многого другого. Все тесты, которые мы придумали провести для проверки общей теории относительности - от экспериментов на Земле и наблюдений в Солнечной системе до изучения сигналов с расстояния в миллиарды световых лет, - все указывают на то, что теория относительности верна при всех известных обстоятельствах.

Рисунок Скопление

Массивное скопление (слева) увеличило далекую звезду, известную как Икар, более чем в 2000 раз, что сделало ее видимой с Земли (внизу справа), несмотря на то, что звезда находится на расстоянии 9 миллиардов световых лет, слишком далеко, чтобы увидеть ее с помощью современных телескопов. В 2011 году Икар не был виден (вверху справа). Увеличение яркости заставляет нас думать, что это был голубой сверхгигант, формально названный линзированной звездой MACS J1149 1.

Когда мы применяем теорию гравитации ко всей Вселенной, то получаем набор уравнений, которые говорят нам: если вы знаете, из чего состоит Вселенная, то общая теория относительности может предсказать, как ваша Вселенная будет развиваться. Вы можете буквально создать свою Вселенную из всего, что только можете придумать, включая обычные ингредиенты, такие как нормальная материя, излучение и нейтрино, черные дыры, гравитационные волны или даже гипотетические сущности, как темное вещество и темная энергия.

Эти разные ингредиенты по-разному влияют на Вселенную, и довольно легко понять, почему. Все, что вам нужно сделать, это представить себе Вселенную такой, какой она была давным-давно, когда была меньше, горячее, плотнее и однороднее, и представить себе, как она будет развиваться с течением времени. Вселенная будет расширяться, но разные виды энергии будут вести себя по-разному. Несмотря на то, что Вселенная расширяется, отдельные связанные объекты внутри нее больше не расширяются. Однако мы не знаем наверняка, как на их размеры может повлиять расширение Вселенной.