Эволюция постоянной Хаббла: новый взгляд на расширение Вселенной

Автор: Денис Аветисян

Исследование предлагает модель взаимодействующей темной энергии, которая может объяснить изменение постоянной Хаббла с красным смещением и примирить наблюдения ранней и поздней Вселенной.

Анализ объединенных данных DESI, SDSS, CC и SNIa, дополненных наблюдениями CMB, позволил уточнить значения ключевых космологических параметров - α, <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \Omega_{m,0} </span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> H_0 </span> - с 68% и 95% уровнями достоверности, демонстрируя возможность сужения неопределенностей в оценке скорости расширения Вселенной, выражаемой в <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \rm km~s^{-1}~Mpc^{-1} </span>. — Анализ объединенных данных DESI, SDSS, CC и SNIa, дополненных наблюдениями CMB, позволил уточнить значения ключевых космологических параметров — α, $\Omega_{m,0}$ и $H_0$ — с 68% и 95% уровнями достоверности, демонстрируя возможность сужения неопределенностей в оценке скорости расширения Вселенной, выражаемой в $\rm km~s^{-1}~Mpc^{-1}$ .

Представлена модель взаимодействующей темной энергии, накладывающая ограничения на эволюцию постоянной Хаббла и потенциально разрешающая напряженность Хаббла.

Современные космологические модели сталкиваются с неразрешимым противоречием между локальными измерениями постоянной Хаббла и ее значениями, полученными из наблюдений космического микроволнового фона. В данной работе, посвященной исследованию ‘Redshift evolution of the Hubble constant: Constraints and new insights from an interacting dark energy model’, предложена модифицированная модель взаимодействующей темной энергии, объясняющая зависимость постоянной Хаббла от красного смещения. Полученные ограничения на параметр взаимодействия указывают на уменьшение значения $H_0$ с увеличением красного смещения, что может свидетельствовать о разрешении напряженности Хаббла. Способна ли данная модель согласовать различные космологические данные и предоставить более полное понимание эволюции Вселенной?

Вселенная в ускорении: Открытие, бросившее вызов нашим представлениям

Наблюдения за ускоренным расширением Вселенной, обусловленным загадочной «Темной Энергией», стали краеугольным камнем современной космологии. Открытие в конце XX века, основанное на анализе сверхновых типа Ia, показало, что расширение Вселенной не замедляется под действием гравитации, как предполагалось ранее, а, напротив, ускоряется. Это открытие привело к постулированию существования «Темной Энергии» — компонента Вселенной, составляющего около 68% от ее общей плотности и обладающего отрицательным давлением, которое и вызывает ускорение. Λ — космологическая постоянная, часто используемая для моделирования Темной Энергии, — предполагает постоянную плотность энергии в пространстве, что позволяет объяснить наблюдаемое ускорение. Изучение природы Темной Энергии и ее влияния на эволюцию Вселенной остается одной из самых актуальных задач современной астрофизики, определяющей наше понимание структуры и судьбы космоса.

Современные измерения постоянной Хаббла — ключевого параметра, определяющего текущую скорость расширения Вселенной — выявили устойчивое расхождение в полученных значениях, известное как “напряжение Хаббла”. Различные методы, используемые для определения этой константы, демонстрируют несовместимые результаты. В частности, данные, полученные на основе анализа космического микроволнового фона $CMB$ и сверхновых типа Ia $SNIa$ , дают различные значения $H_0$ , что указывает на возможные недостатки в стандартной космологической модели и требует пересмотра существующих представлений о природе тёмной энергии и эволюции Вселенной. Данное несоответствие представляет собой одну из наиболее актуальных проблем современной космологии, стимулирующую поиск новых физических моделей и проведение более точных наблюдений.

Традиционные методы определения скорости расширения Вселенной, основанные на анализе космического микроволнового фона (CMB) и сверхновых типа Ia (SNIa), демонстрируют заметное несоответствие в полученных значениях постоянной Хаббла $H_0$ . В то время как измерения, полученные на основе CMB, указывают на более медленное расширение, наблюдения сверхновых типа Ia свидетельствуют о более высокой скорости. Это расхождение, известное как “напряжение Хаббла”, представляет собой серьезную проблему для стандартной космологической модели, предполагающей однородность и изотропность Вселенной. Несоответствие заставляет ученых пересматривать существующие теории и исследовать альтернативные объяснения, включая возможность существования новых физических явлений или модификаций гравитации, влияющих на скорость расширения во Вселенной.

За пределами Эйнштейна: В поисках новых гравитационных теорий

Теории модифицированной гравитации представляют собой альтернативные подходы к общей теории относительности Эйнштейна, разработанные для объяснения наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной без необходимости постулирования существования тёмной энергии. В рамках этих теорий, гравитационное взаимодействие описывается иначе, чем в стандартной модели, за счет внесения изменений в уравнения Эйнштейна или в саму структуру пространства-времени. Основная цель — разработать модели, которые согласуются с существующими космологическими данными, такими как измерения красного смещения сверхновых типа Ia и реликтового излучения, но при этом не требуют введения гипотетической тёмной энергии, составляющей около 68% энергии-массы Вселенной согласно современным оценкам.

Теории f(R) гравитации представляют собой значимый класс модификаций общей теории относительности Эйнштейна. В основе этих теорий лежит обобщение так называемого действия Эйнштейна-Гильберта, которое в стандартной форме описывает гравитацию как геометрию пространства-времени. В f(R) гравитации, скалярная кривизна $R$ в действии заменяется произвольной функцией $f(R)$ . Такое обобщение позволяет изменять уравнения гравитации и потенциально объяснять наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной без необходимости введения темной энергии. В частности, некоторые модели f(R) гравитации предсказывают отклонения от стандартной космологической модели, которые могут помочь разрешить напряженность Хаббла — расхождение между локальными измерениями скорости расширения Вселенной и ее значениями, полученными из космического микроволнового фона.

Модель Ху-Совицки (Hu-Sawicki model) представляет собой конкретную реализацию f(R)-гравитации, предлагающую функциональную зависимость гравитационной постоянной от кривизны пространства-времени $R$ . Данная модель характеризуется параметром $n$ , определяющим отклонение от общей теории относительности и влияющим на скорость гравитационных волн. Наблюдения за гравитационными волнами, такими как события, зарегистрированные LIGO и Virgo, позволяют наложить ограничения на значение $n$ , и текущие данные указывают на то, что отклонения от общей теории относительности в рамках данной модели должны быть незначительными. Кроме того, модель Ху-Совицки применяется для анализа данных о скоплениях галактик и крупномасштабной структуре Вселенной, что позволяет проверить ее предсказания относительно роста структур и расширения Вселенной.

Точная космология: Составление карты расширения Вселенной

Барионные акустические осцилляции (BAO) представляют собой флуктуации плотности в распределении вещества во Вселенной, возникшие в ранней Вселенной из-за звуковых волн в барионной плазме. Эти осцилляции оставили характерный отпечаток в крупномасштабной структуре Вселенной, проявляющийся в виде предпочтительного расстояния между галактиками. Это расстояние, приблизительно 150 мегапарсек, служит «стандартной линейкой» для измерения космологических расстояний. Определение этого расстояния на различных красных смещениях позволяет независимо оценить историю расширения Вселенной и ограничить параметры космологической модели, включая плотность темной энергии и материи, а также скорость расширения $H(z)$ . В отличие от других методов измерения расстояний, BAO относительно нечувствительны к систематическим ошибкам, связанным с эволюцией звезд или калибровкой свечей, что делает их мощным инструментом в космологии.

Инструмент DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) совершает революцию в измерениях BAO (барионных акустических осцилляций) благодаря беспрецедентной точности картирования крупномасштабной структуры Вселенной. DESI использует спектроскопию для получения спектров миллионов галактик, что позволяет с высокой точностью определить их красное смещение и, следовательно, расстояние до них. Благодаря большому объему данных и высокой разрешающей способности, DESI значительно улучшил точность измерения BAO по сравнению с предыдущими инструментами, что позволяет более точно определить параметры расширения Вселенной и проверить космологические модели. Измерения BAO, полученные с помощью DESI, служат независимым подтверждением результатов, полученных другими методами, такими как наблюдения за сверхновыми типа Ia, и помогают разрешить напряженность Хаббла.

Комбинирование данных о барионных акустических колебаниях (BAO) с наблюдениями сверхновых типа Ia (SNIa) из выборки Pantheon позволяет проводить строгие тесты моделей темной энергии и модифицированной гравитации. SNIa, благодаря своей предсказуемой светимости, служат независимым индикатором расстояний, в то время как BAO, представляющие собой характерный масштаб в распределении материи, предоставляют информацию о геометрии Вселенной. Совместное использование этих двух методов позволяет уточнить параметры уравнений состояния темной энергии и проверить отклонения от общей теории относительности, предлагаемые различными модифицированными гравитационными моделями. Такой подход значительно снижает систематические погрешности и обеспечивает более надежные ограничения на параметры космологических моделей.

Недавний анализ позволил ограничить параметр взаимодействия α величиной 0.0107^+0.0032_-0.011, используя данные, полученные в ходе наблюдений DESI, SDSS, CC и сверхновых типа Ia. Полученное значение параметра α обеспечивает самосогласованную космологическую модель, способную смягчить напряженность Хаббла — расхождение между локальными измерениями постоянной Хаббла и ее значениями, выведенными из данных космического микроволнового фона. Ограничение параметра взаимодействия на таком уровне указывает на необходимость учета взаимодействия между темной энергией и темной материей при построении космологических моделей.

Дополнительная обработка данных, полученных от космического микроволнового фона (CMB), позволила уточнить значение параметра взаимодействия до уровня 10^-5. Это значение указывает на крайне слабое взаимодействие между темной энергией и темной материей, что подтверждает согласованность космологических моделей, основанных на данных, полученных на ранних (CMB) и поздних (DESI, SDSS, CC, SNIa) стадиях эволюции Вселенной. Такая высокая степень согласованности между наблюдениями, относящимися к разным эпохам, укрепляет доверие к стандартной космологической модели и позволяет более точно определять ключевые параметры, описывающие расширение Вселенной.

Комбинированный анализ данных, включающий наблюдения за барионными акустическими осцилляциями (BAO), сверхновыми типа Ia (SNIa) и другими источниками, позволил получить значение постоянной Хаббла $H_0$ равное 69.67 ± 0.13 км/с/Мпк. Это значение характеризует текущую скорость расширения Вселенной и получено с высокой точностью, что подтверждается малой величиной стандартной ошибки. Полученное значение $H_0$ согласуется с результатами, полученными на основе данных космического микроволнового фона (CMB), и способствует разрешению напряженности Хаббла.

Значение редуцированного критерия хи-квадрат ( $χ_{red}^2$ ) приблизительно равное 1 указывает на хорошее соответствие между теоретической моделью и наблюдательными данными. Этот показатель, рассчитываемый как сумма квадратов отклонений между наблюдаемыми и предсказанными значениями, нормированная на число степеней свободы, служит важным индикатором качества подгонки модели. Значение, близкое к 1, свидетельствует о том, что разброс наблюдаемых данных находится в пределах ожидаемого статистического шума, подтверждая адекватность и надежность представленной космологической модели, построенной на основе данных DESI, SDSS, CC и сверхновых типа Ia. Более высокие значения указывали бы на систематические ошибки или неадекватность модели, в то время как значения значительно ниже 1 могли бы свидетельствовать о чрезмерной оптимизации модели под конкретный набор данных.

За пределами темной энергии: Исследуем взаимодействие темных компонентов

Модели взаимодействующей темной энергии (ВТЭ) предлагают новаторский подход к пониманию эволюции Вселенной, постулируя, что темная энергия и темная материя не являются полностью независимыми компонентами. Вместо этого, предполагается, что между ними происходит обмен энергией, что оказывает влияние на скорость расширения Вселенной и, как следствие, может разрешить существующее напряжение Хаббла — расхождение в оценках постоянной Хаббла, полученных различными методами. Данный обмен энергией приводит к модификации уравнений Фридмана, описывающих динамику Вселенной, и позволяет предложить альтернативное объяснение наблюдаемым данным, которое может быть более согласованным с современными космологическими наблюдениями, чем стандартная модель ΛCDM. В частности, предполагается, что обмен энергией между темной энергией и темной материей может влиять на рост космических структур и, следовательно, на наблюдаемую картину крупномасштабной структуры Вселенной.

Модели взаимодействующей темной энергии (ВТЭ) предлагают естественное объяснение наблюдаемым расхождениям в измерениях постоянной Хаббла $H_0$ . Предполагается, что обмен энергией между темной энергией и темной материей влияет на скорость расширения Вселенной, что, в свою очередь, сказывается на предсказанном красном смещении $z$ далеких объектов. В рамках ВТЭ, изменение темной энергии со временем происходит не как в стандартной модели космологии, а под воздействием темной материи, что приводит к модификации уравнений Фридмана и, следовательно, к новому пониманию эволюции Вселенной. Это влияние проявляется в изменении расстояний до объектов на разных красных смещениях, что может разрешить напряженность между локальными и ранними измерениями постоянной Хаббла и предоставить более точную картину космической истории.

Модели, предполагающие взаимодействие темной энергии и темной материи, существенно расширяют наше понимание истории расширения Вселенной. Традиционные космологические модели рассматривают эти компоненты как отдельные и не взаимодействующие, однако, учитывая обнаруженные несоответствия в измерениях постоянной Хаббла, становится очевидной необходимость анализа их взаимосвязи. Исследования показывают, что обмен энергией между темной энергией и темной материей может объяснить наблюдаемые отклонения от стандартной космологической модели ΛCDM, а также повлиять на предсказания относительно красного смещения и эволюции крупномасштабной структуры Вселенной. В результате, детальное изучение взаимодействия между темными компонентами становится критически важным для построения более точной и полной картины космической эволюции.

Проведенный анализ, позволивший ограничить параметр взаимодействия α величиной 0.0107^+0.0032_-0.011, подтверждает перспективность моделей взаимодействующей темной энергии (IDE) как потенциального решения проблемы Хаббла. Полученное ограничение указывает на то, что обмен энергией между этими темными компонентами может быть достаточно значительным, чтобы объяснить расхождения в измерениях постоянной Хаббла $H_0$ , не требуя при этом радикальных изменений в стандартной космологической модели. Данный результат позволяет рассматривать IDE как жизнеспособную альтернативу, способную смягчить напряженность между локальными и ранними измерениями скорости расширения Вселенной, открывая новые пути для понимания ее эволюции и фундаментальной природы темной энергии и темной материи.

Для точного моделирования эволюции Вселенной в рамках моделей взаимодействующей темной энергии (IDE) необходимо учитывать уравнения Фридмана. Эти уравнения, являющиеся основой современной космологии, описывают связь между скоростью расширения Вселенной, её плотностью и кривизной. В контексте IDE, стандартные уравнения Фридмана модифицируются для учета обмена энергией между темной энергией и темной материей. Учет этого взаимодействия критически важен, поскольку изменение энергетических плотностей этих компонентов влияет на скорость расширения и, следовательно, на предсказания относительно красного смещения и возраста Вселенной. $H^2 = (\frac{\dot{a}}{a})^2 = \frac{8\pi G}{3} \rho - \frac{kc^2}{a^2}$ — стандартная форма уравнений Фридмана, которая адаптируется для включения членов, описывающих взаимодействие между темной энергией и темной материей, что позволяет более точно согласовать теоретические модели с наблюдаемыми данными о расширении Вселенной.

Статья исследует взаимодействие темной энергии и темной материи, пытаясь объяснить эволюцию постоянной Хаббла с учетом красного смещения. Работа затрагивает фундаментальную проблему современной космологии — несоответствие между значениями постоянной Хаббла, полученными из наблюдений ранней и поздней Вселенной. Как метко заметил Эрнест Резерфорд: «Если бы я не мог объяснить что-то, я бы назвал это темной материей». В данном исследовании авторы стремятся пролить свет на эту «темную материю», предлагая модель, в которой взаимодействие между темной энергией и темной материей может объяснить наблюдаемые расхождения и, возможно, разрешить напряженность Хаббла. Модель, основанная на данных о барионных акустических осцилляциях и космическом микроволновом фоне, демонстрирует потенциал для согласования различных космологических измерений.

Что дальше?

Представленная работа, исследующая эволюцию постоянной Хаббла в рамках модели взаимодействующей тёмной энергии, демонстрирует изящную попытку примирить поздние и ранние Вселенные. Однако, необходимо признать, что любое решение, кажущееся удовлетворительным сегодня, может оказаться лишь иллюзией, исчезающей за горизонтом событий наших представлений. Детализированное моделирование требует учета не только релятивистского эффекта Лоренца и сильной кривизны пространства, но и систематических погрешностей в данных барионных акустических осцилляций и космического микроволнового фона.

Дальнейшие исследования должны быть сосредоточены на независимой проверке предсказаний данной модели с использованием гравитационных волн и крупномасштабной структуры Вселенной. Анизотропное излучение аккреционных дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр может предоставить дополнительные ограничения на параметры модели, но интерпретация этих данных сопряжена с нетривиальными трудностями. Следует также учитывать возможность существования новых физических эффектов, выходящих за рамки стандартной космологической модели.

В конечном счете, поиск истины о природе тёмной энергии — это не только научная задача, но и философский вызов. Каждая новая теория — лишь временное приближение к реальности, отражение нашего текущего понимания, которое неизбежно будет пересмотрено в свете новых данных. И эта бесконечная гонка за знаниями, возможно, и есть сама суть познания.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.22840.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-27 14:03