Скорость гравитации и судьба тёмной энергии: новый взгляд

Автор: Денис Аветисян

Наблюдения за слиянием нейтронных звезд GW170817/GRB170817A ставят под сомнение многие теории о природе тёмной энергии и заставляют пересмотреть существующие космологические модели.

Ограничения, наложенные близостью скоростей гравитонов и фотонов, вкупе с отсутствием заметного смещения сверхмассивной чёрной дыры в галактике M87, сужают область возможных космологических моделей, особенно при $c_0 = 1$ и $c_0 = 3$, демонстрируя, что даже фундаментальные теории могут столкнуться с ограничениями, вытекающими из наблюдаемой реальности.

Анализ данных о гравитационных волнах позволил существенно ограничить параметры различных моделей тёмной энергии, включая теории GLPV и модели с дисморфным взаимодействием, фактически исключив возможность объяснения ускоренного расширения Вселенной на основе квартичных галилеонов.

Несмотря на успехи современной космологии, природа тёмной энергии остаётся одной из главных загадок науки. В работе «Скорость гравитации и судьба тёмной энергии» рассматриваются ограничения, налагаемые наблюдениями слияния двойной нейтронной звезды GW170817/GRB170817A, на различные модели тёмной энергии и модифицированной гравитации. Полученные данные существенно сужают класс теорий, объясняющих ускоренное расширение Вселенной, фактически исключая квартичные галилеоновские модели. Какие новые направления исследований в области космологии могут возникнуть в результате столь точных измерений скорости гравитации и её влияния на природу тёмной энергии?

Расширяющаяся Вселенная и Тайна Тёмной Энергии

Наблюдения за расширением Вселенной, проводимые с помощью сверхновых типа Ia и реликтового излучения, демонстрируют, что скорость этого расширения не только не замедляется под действием гравитации, как ожидалось, но и ускоряется. Этот феномен, впервые подтвержденный в конце 1990-х годов, представляет собой фундаментальную проблему для современной космологии. Традиционные модели, основанные на общей теории относительности Эйнштейна и учитывающие влияние всей материи и энергии во Вселенной, предсказывали, что гравитация должна замедлять расширение. Однако, полученные данные указывают на противоположное, что требует введения новых физических концепций для объяснения наблюдаемой динамики. Измерение красного смещения далеких галактик и анализ флуктуаций космического микроволнового фона подтверждают, что Вселенная расширяется с ускорением, что стало одним из ключевых открытий в современной астрофизике и привело к формированию концепции тёмной энергии.

Наблюдения за расширением Вселенной выявили не просто расширение, но и его ускорение, что потребовало введения концепции тёмной энергии. Эта загадочная сила, составляющая приблизительно 70% от общей плотности энергии во Вселенной, оказывает отталкивающее воздействие, противодействуя гравитационному притяжению. Предполагается, что именно тёмная энергия ответственна за наблюдаемое ускорение расширения космоса, и её природа остается одной из самых больших загадок современной космологии. Несмотря на то, что её существование выводится из астрономических наблюдений, прямая идентификация и понимание механизмов действия тёмной энергии представляют собой серьёзную научную задачу, требующую дальнейших исследований и теоретических разработок.

Наиболее простое объяснение ускоренного расширения Вселенной — космологическая постоянная, представляющая собой энергию вакуума, сталкивается с серьезными теоретическими трудностями. Согласно квантовой теории поля, энергия вакуума должна быть чрезвычайно велика, что предсказывает гораздо более быстрое расширение, нежели наблюдаемое. Этот огромный разрыв между теоретическим предсказанием и эмпирическими данными известен как проблемой «тонкой настройки». Попытки объяснить столь малую наблюдаемую величину космологической постоянной требуют введения искусственных и сложных механизмов, что заставляет ученых искать альтернативные объяснения. Среди них — концепция квинтэссенции, динамическое поле с изменяющейся плотностью энергии, и модифицированные теории гравитации, такие как $f(R)$ гравитация, которые предлагают пересмотреть само понятие гравитационного взаимодействия на космологических масштабах.

За Пределами Общей Теории Относительности: Восхождение Модифицированной Гравитации

Теории модифицированной гравитации представляют собой альтернативные подходы к общей теории относительности Эйнштейна, разработанные для объяснения наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. В отличие от введения темной энергии, эти теории предполагают, что сама гравитация может вести себя иначе на космологических масштабах. Они включают в себя изменения в уравнениях Эйнштейна или добавление новых гравитационных степеней свободы, что может привести к отклонениям от предсказаний общей теории относительности в слабых гравитационных полях. Эти отклонения должны быть согласованы с многочисленными локальными экспериментальными проверками, подтверждающими общую теорию относительности в Солнечной системе и в лабораторных условиях. Основная цель этих теорий — обеспечить космологическое объяснение ускоренного расширения, не прибегая к постулированию экзотической темной энергии, а путем изменения фундаментальных законов гравитации.

Теории модифицированной гравитации, предлагающие альтернативы общей теории относительности, часто вводят новые поля и взаимодействия для объяснения наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. Однако, для соответствия результатам локальных тестов гравитации, таких как эксперименты, проверяющие закон всемирного тяготения в лабораторных условиях и солнечной системе, необходимы эффективные механизмы «скрытия» или «экранирования» ($screening$). Эти механизмы подавляют влияние новых полей и взаимодействий на малых расстояниях, обеспечивая, что гравитационное взаимодействие в локальных тестах остается в согласии с предсказаниями общей теории относительности. Реализация эффективных механизмов экранирования является ключевым требованием для любой жизнеспособной теории модифицированной гравитации.

Теория Хорндески представляет собой наиболее общую скалярно-тензорную теорию гравитации, удовлетворяющую требованию существования только второго порядка дифференциальных уравнений в лагранжиане. Это означает, что уравнения движения, описывающие гравитационное поле, не содержат производных высших порядков, что необходимо для избежания проблем со стабильностью и причинностью, характерных для некоторых других модифицированных теорий гравитации. Лагранжиан теории Хорндески включает в себя различные слагаемые, связанные со скалярным полем и тензором метрики, и может быть записан в виде $G_4 + G_5 + G_6$, где каждое слагаемое представляет собой определенный вклад в гравитационное взаимодействие. В отличие от более простых скалярно-тензорных теорий, теория Хорндески обеспечивает большую свободу в выборе параметров, что позволяет ей более гибко соответствовать наблюдаемым космологическим данным и одновременно удовлетворять строгим ограничениям, налагаемым локальными экспериментами по проверке общей теории относительности.

Теория GLPV и Наблюдательные Ограничения

Теория GLPV, являющаяся расширением теории Хорндески, вводит в рассмотрение четырехпроизводные члены в лагранжиан, что потенциально позволяет решить некоторые космологические проблемы. В отличие от стандартной космологической модели $\Lambda$CDM, теория GLPV допускает модификацию гравитационного взаимодействия на высоких энергиях. Введение четырехпроизводных членов позволяет изменить уравнения движения гравитационных волн и, как следствие, их скорость распространения. Это расширение теоретической базы необходимо для исследования альтернативных объяснений темной энергии и проверки соответствия теоретических моделей наблюдательным данным, полученным с помощью гравитационно-волновых детекторов и других астрофизических инструментов.

Формулировка теории GLPV базируется на использовании метрики в системе координат Йордана (Jordan Frame Metric), что необходимо для корректного описания динамики скалярных полей. Теория оперирует так называемыми строительными блоками тёмной энергии (Building Blocks of Dark Energy) — параметрами, определяющими различные типы производных, входящие в лагранжиан. Эти параметры, в свою очередь, определяют вклад конкретных членов в общую энергию и давление, влияющие на космологическую эволюцию Вселенной. Таким образом, конкретные значения этих параметров в рамках теории GLPV определяют предсказания относительно скорости гравитационных волн и дисормального связывания с фотонами, что позволяет проверить теорию на соответствие наблюдательным данным, полученным с LIGO/Virgo и Fermi.

Наблюдения гравитационно-волнового события GW170817 и его электромагнитного аналога GRB170817A позволили установить строгие ограничения на скорость распространения гравитационных волн и, как следствие, сузить область допустимых параметров в рамках теории GLPV. Совместный анализ данных, полученных коллаборациями LIGO/Virgo/Fermi, показал, что разница между скоростью гравитации и скоростью света составляет менее $6 \times 10^{-15}$. Это ограничение существенно влияет на возможные значения параметров, описывающих отклонения от общей теории относительности в рамках теории GLPV, и позволяет исключить определенные классы моделей, предсказывающих значительные различия в скорости распространения гравитационных и электромагнитных волн.

Наблюдения гравитационно-волнового события GW170817 и его электромагнитного аналога GRB170817A установили нижнюю границу для шкалы дисморфного взаимодействия с фотонами, равную $≳ 10$ МэВ. Это ограничение вытекает из анализа задержки между прибытием гравитационных волн и электромагнитного излучения, что позволяет ограничить параметры, определяющие силу взаимодействия между фотонами и скалярными полями в рамках теории GLPV. Превышение этой шкалы привело бы к наблюдаемой разнице в скорости распространения гравитационных волн и света, что противоречит экспериментальным данным, полученным коллаборациями LIGO/Virgo/Fermi.

Комбинированный анализ ограничений, полученных из наблюдений гравитационно-волнового события GW170817 и его электромагнитного аналога GRB170817A, однозначно исключает квартичные галилеоновые теории как жизнеспособное объяснение темной энергии. Данные ограничения, касающиеся разницы в скорости распространения гравитационных волн и света (меньше $6 \times 10^{-15}$), а также нижнего предела для масштаба дисморфного взаимодействия с фотонами (≳ 10 МэВ), приводят к тому, что параметры, необходимые для согласования этих теорий с наблюдаемыми данными, отсутствуют. Следовательно, квартичные галилеоновые теории не могут быть использованы для построения космологических моделей, объясняющих природу темной энергии.

Тестирование Модифицированной Гравитации с Космологическими Данными

Специально разработанный прибор $Dark Energy Spectroscopic Instrument$ (DESI) представляет собой передовой инструмент, предназначенный для создания подробной карты крупномасштабной структуры Вселенной. Этот масштабный проект направлен на точное измерение истории расширения Вселенной, используя миллионы галактик и квазаров в качестве своеобразных «маяков». Уникальная конструкция DESI позволяет получать спектры огромного количества объектов, что дает возможность определить их красное смещение и, следовательно, расстояние до них с беспрецедентной точностью. Полученные данные позволяют проверить различные космологические модели и углубить понимание темной энергии, движущей силы расширения Вселенной, и её влияния на эволюцию космических структур.

Исследование скорости расширения Вселенной представляет собой ключевой инструмент для проверки различных космологических моделей. Сравнение наблюдаемых данных о темпах расширения с предсказаниями, основанными на стандартной космологической модели и альтернативными теориями модифицированной гравитации, такими как GLPV, позволяет оценить их состоятельность. Теория GLPV, например, предполагает модификацию общей теории относительности для объяснения ускоренного расширения Вселенной без необходимости введения темной энергии. В частности, анализ расхождений между предсказанной и наблюдаемой скоростью расширения может указать на необходимость корректировки стандартной модели или, наоборот, подтвердить справедливость альтернативных теорий. Точность измерений, получаемых с помощью инструментов вроде Dark Energy Spectroscopic Instrument, имеет решающее значение для выявления даже незначительных отклонений, которые могут указать на превосходство одной модели над другой и, следовательно, углубить понимание фундаментальной природы гравитации и эволюции Вселенной.

В основе анализа космологических данных и проверки теорий модифицированной гравитации лежит метрика Фридмана — Леметра — Роберсона — Уокера (FLRW). Эта метрика описывает однородную и изотропную Вселенную, являясь фундаментальной предпосылкой для построения космологических моделей. Поскольку любые отклонения от стандартной космологической модели, такие как предсказываемые теориями модифицированной гравитации, проявляются в изменениях темпов расширения Вселенной, корректная интерпретация наблюдаемых данных требует точного учета структуры метрики FLRW. В частности, понимание того, как различные компоненты метрики связаны с плотностью энергии и давлением во Вселенной, необходимо для корректного применения ограничений на параметры модифицированных гравитационных моделей, таких как GLPV. Без четкого понимания $FLRW$ метрики, оценка валидности альтернативных теорий гравитации становится невозможной, поскольку любые наблюдаемые расхождения могут быть ошибочно интерпретированы как проявления модифицированной гравитации, а не как артефакты некорректного анализа данных.

Будущие Направления: Механизм Вайнштейна и За Его Пределами

Механизм Вайнштейна представляет собой элегантное решение проблемы, возникающей при попытках модифицировать теорию гравитации. В рамках некоторых теорий, призванных объяснить тёмную энергию и ускоренное расширение Вселенной, предсказания на малых масштабах, например, в Солнечной системе, существенно расходятся с наблюдениями. Механизм Вайнштейна, возникающий в некоторых модифицированных теориях гравитации, таких как Massive Gravity, позволяет эффективно «экранировать» дополнительные гравитационные эффекты на коротких расстояниях. По сути, он подавляет проявление изменений в гравитационном поле, делая их неразличимыми от предсказаний общей теории относительности в локальных экспериментах. Это достигается за счёт нелинейных взаимодействий в гравитационном поле, которые усиливаются на малых масштабах и компенсируют изменения, предсказываемые модифицированной теорией. Таким образом, данный механизм позволяет сохранить соответствие с проверенными результатами локальных тестов гравитации, одновременно позволяя модифицированной гравитации оказывать влияние на космологических масштабах, где она может объяснить природу тёмной энергии и ускоренного расширения Вселенной.

Понимание взаимодействия между механизмом Вайнштейна и теориями массивной гравитации имеет решающее значение для построения непротиворечивых космологических моделей. Механизм Вайнштейна, являясь своего рода «экраном», подавляет проявление модифицированной гравитации на малых масштабах, предотвращая конфликты с локальными экспериментальными данными. Однако, в контексте теории массивной гравитации, где гравитон обладает массой, этот механизм требует тонкой настройки параметров для обеспечения стабильности и соответствия наблюдаемым космологическим данным, таким как ускоренное расширение Вселенной и структура крупномасштабной Вселенной. Изучение этого взаимодействия позволяет исследователям разрабатывать модели, способные объяснить темную энергию и темную материю, избегая при этом противоречий с существующими наблюдениями и теоретическими ограничениями. Разработка последовательных моделей, учитывающих как механизм Вейнштейна, так и массовость гравитона, представляет собой ключевую задачу в современной космологии, открывающую путь к более глубокому пониманию фундаментальной природы гравитации и эволюции Вселенной.

Дальнейшие теоретические и наблюдательные исследования представляются необходимыми для раскрытия тайн тёмной энергии и определения конечной судьбы Вселенной. Несмотря на значительный прогресс в космологии, природа тёмной энергии, составляющей около 70% энергии Вселенной, остается одной из главных загадок современной науки. Будущие миссии, такие как Euclid и Roman Space Telescope, направлены на более точное измерение расширения Вселенной и изучение распределения материи, что позволит проверить различные модели тёмной энергии и, возможно, указать на необходимость пересмотра наших представлений о гравитации. Сочетание высокоточных наблюдений за сверхновыми, барионными акустическими осцилляциями и крупномасштабной структурой Вселенной с развитием теоретических моделей, учитывающих модифицированные теории гравитации, является ключом к пониманию фундаментальной природы тёмной энергии и прогнозированию будущего эволюции Вселенной. Успех этих усилий позволит не только ответить на вопрос о конечном состоянии Вселенной — будет ли она продолжать расширяться, замедлять расширение или, возможно, коллапсировать — но и углубить наше понимание фундаментальных законов физики.

Исследование скорости гравитации и судьбы тёмной энергии, представленное в данной работе, напоминает о хрупкости любых построений в области теоретической физики. Подобно тому, как наблюдения за слиянием нейтронных звёзд GW170817/GRB170817A накладывают жёсткие ограничения на различные модели тёмной энергии, так и каждое новое открытие ставит под сомнение устоявшиеся представления. Эрнест Резерфорд однажды сказал: «Если бы вы и я знали, что это такое, мы бы не занимались этим». Эта фраза отражает суть научного поиска — признание собственного незнания и готовность к пересмотру даже самых фундаментальных принципов. В случае с модифицированной гравитацией и моделями тёмной энергии, горизонт событий может оказаться ближе, чем кажется, заставляя переосмыслить природу космологических констант и дисторсионных связей.

Что дальше?

Наблюдения за слиянием нейтронных звёзд GW170817/GRB170817A, как и следовало ожидать, оказались безжалостными. Они прочертили горизонт событий для ряда моделей тёмной энергии, в частности, для квартичных галилеонов. Однако, подобно тому, как чёрные дыры безжалостно поглощают свет, они лишь подчёркивают ограниченность текущего понимания. Ограничения, наложенные на дисморфно связанные модели и другие модификации гравитации, не означают, что поиск альтернатив прекращён; скорее, они указывают на необходимость более изящных, более тонких подходов. Космос щедро показывает свои тайны тем, кто готов смириться с тем, что не всё объяснимо.

Будущие исследования, вероятно, сосредоточатся на моделях, которые избегают грубых отклонений от общей теории относительности в сильных гравитационных полях, но всё же допускают отклонения в космологических масштабах. Внимание может быть переключено на более сложные скалярно-тензорные теории или на альтернативные подходы к модификации гравитации, которые ещё не были полностью изучены. Вайнштейнский механизм, хотя и сложен, может предложить путь к построению моделей, которые одновременно согласуются с локальными тестами и объясняют ускоренное расширение Вселенной.

Чёрные дыры — это природные комментарии к нашей гордыне. Они напоминают о том, что любое теоретическое здание, каким бы прочным оно ни казалось, может быть разрушено неожиданным наблюдением. Поиск тёмной энергии, таким образом, остаётся не только научным поиском, но и философским упражнением — постоянным напоминанием о границах человеческого знания и о необходимости смирения перед непостижимостью Вселенной.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.19762.pdf

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

Смотрите также:

2025-11-27 05:10