Краткая история астрономии. Том 11. Темная материя

Глава 11-19-4
Ускоренное время избавило физиков от темной материи

Май 2015

Пьер Магейн (Pierre Magain) и Клементин Ауре (Clémentine Hauret) из Льежского университета (Бельгия) представили космологическую модель, в рамках которой скорость течения времени после Большого Взрыва могла существенно изменяться в зависимости от энтропии. Если время в нашей Вселенной реально имеет такую природу, астрономические наблюдения сверхновых типа Ia могут быть объяснены без необходимости в темной материи. Работа направлена в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, опубликована в arXiv.org.

В рамках работы ученые предложили два понятия времени - глобальное (космологическое) и локальное (координатное). Глобальное время в их представлении - это некоторый параметр t, которым занумерованы трехмерные «срезы» четырехмерного пространственно-временного континуума. Вселенная в такой модели берется на достаточно больших масштабах и считается усредненной и однородной. Эти срезы есть состояния пространства вместе со всей материей в ней в каждый момент времени. Локальное время - это время, которое может измерить наблюдатель с помощью некоторых часов в фиксированной системе координат в окрестности некоторой точки пространства.

Традиционно эти два параметра (в отсутствии материи, разумеется) совпадают. Однако Магейн и Ауре решили, что, вообще говоря, два времени совпадать не обязаны. Так как глобальное время довольно сложный для работы параметр, физики предложили взять в качестве меры этой величины энтропию. Соответственно, локальное время меняется как функция энтропии в окрестности выбранной за начало координат точке пространства

В рамках теории относительности время для часов движущихся относительно неподвижного наблюдателя течет медленнее, чем для часов этого наблюдателя, однако предполагается, что время тех часов, что находятся в покое течет с постоянной (без учета действия на них гравитации) скоростью на протяжении всего существования Вселенной. Магейн и Ауре идут на один шаг дальше этой точки зрения и выдвигают гипотезу, согласно которой скорость течения времени неподвижных часов зависит от динамического состояния Вселенной.

Разбирая вопрос о скорости течения космологического времени, которое в их модели отличается от координатного, авторы приходят к выводу, что по мере роста энтропии Вселенной космологическое время замедляется. В такой модели далекие объекты, движущиеся с постоянной «космологической» скоростью от наблюдателя кажутся ему ускоряющимися.

Это, в свою очередь, означает, что в их модели наблюдаемое по яркости вспышек сверхновых типа Ia ускоренное расширение Вселенной на протяжении последних 6 миллиардов может быть вызвано не космологической константой (темной энергией), а именно замедлением космологического времени. Для нас, как локальных наблюдателей, оно создает впечатление мнимого ускорения расширения Вселенной, практически неотличимое от реального.

Энтропия черной дыры пропорциональна площади её горизонта, деленной на квадрат т.н. гравитационной длины Планка (10^–33см). Из-за очень малой величины последней для нормальной черной дыры значение энтропии получается чрезвычайно большим, на много порядков больше, чем от любого другого источника. В то же время совершенно не ясно, из чего конкретно она могла бы складывается, поскольку никаких явных компонентов, которые своим хаотичным движением могли бы способствовать беспредельному увеличению энтропии в черной дыре не известно. С учетом того, что точная численность и масса всех ЧД Вселенной на сегодня также неизвестна, авторы специально оговаривают, что источники энтропии влияют на скорость течения времени только если они связаны с данным районом причинно-следственные связями. Благодаря этому бельгийцы исключают из общего бюджета энтропии во Вселенной черные дыры – все, что находится в пределах горизонта событий черных дыр не имеет прямых связей с остальной пространством-временем.

Базируясь на оценке уровня роста энтропии за время после Большого взрыва, исследователи оценивают давность этого события в 15,0±0,5 миллиарда лет (для равномерного течения времени), что значительно древнее нынешних оценок (13,7-13,8 миллиарда лет). Таким образом в их сценарии значительно проще выглядит вопрос о том, как могли возникнуть те отдаленные галактики, возраст которых по красному смещению оценивается более чем в 13 миллиардов лет. Последние открытия такого рода означают, что в рамках Стандартной модели на их формирование (включая предшествующую эпоху реионизации) отводит довольно мало времени. Поэтому для объяснения формирования галактик, среди прочего, используют темную материю.

Авторы полагают, что их гипотезу нельзя проверить с помощью анализа красного смещения. Если их модель верна, то все существующие физические законы должны быть функцией изменяющегося по скорости космологического времени. А значит фотоны от отдаленных источников будут испытывать такое же красное смещение, как и при нынешней стандартной космологической модели Лямбда-CDM.

Поэтому для проверки своей космологической модели ученые решили сверить ее с диаграммой Хаббла, использующей сверхновые типа Ia. В диаграмме сопоставляется их абсолютная светимость (принятая за константу) с красным смещением доходящих от нее фотонов. Авторы учли 580 сверхновых этого типа, указанных в публикации Supernova Cosmology Project от 2012 года. В итоге такого сравнения их космологическая модель показывает среднюю плотность материи во Вселенной равной Ω°=0,051±0,014, что удовлетворяет наблюдаемым значениям обычной (барионной) материи. Таким образом она не требует привлечения экзотической темной материи, длительные поиски которой пока не увенчались решительным успехом. По мнению авторов, это выгодно отличает модель с переменной скоростью космологического времени от нынешней Стандартной модели, где скорость течения времени постоянна.

С другой стороны темная материя привлекается не только для объяснения формирования крупных галактик на раннем этапе развития Вселенной. Кривая вращения галактик, как известно, указывает, что звезды в рукавах спиральных галактиках вращаются вокруг центра с постоянной скоростью в большом диапазоне расстояний от этого центра. В то же время по расчетам, учитывающим лишь гравитационное воздействие обычной материи, этого быть не может. В настоящее время данную проблему решают, привлекая для объяснения темную материю, предположительно находящуюся в гало вокруг галактик и своей гравитацией «раскручивающую» внешние части галактик до наблюдаемых скоростей.

Наконец, ученые используют темную материю и для закрытия ряда других непростых вопросов. В частности, наблюдения излучения от газа в галактических скоплениях рентгеновским телескопом «Чандра» указывает, что видимая часть массы скоплений галактик в 7-8 раз меньше чем нужно, чтобы удержать их вместе своей гравитацией. Тот факт, что скопления явно существуют указывает, что основная часть материи окружающей Вселенной нами пока не регистрируется.

_{nplus1.ru, 13 мая 2015,}

_{https://nplus1.ru/news/2015/05/13/cosmologictime}

_{Сайт arXiv.org, 2015}

_{Пьер Магейн (Pierre Magain) и Клементин Ауре (Clémentine Hauret) из Льежского университета (Бельгия)}

_{http://arxiv.org/abs/1505.02052}