Изучение космического расширения методами физики многих тел

Это потому, что расчеты были бы слишком сложными, если бы включить положение каждой отдельной звезды. На самом деле Вселенная неоднородна: где-то звезды и планеты, где-то просто пустота.

Изображение эволюции Вселенной за 13,77 миллиарда лет. В крайнем левом углу изображен самый ранний момент, который мы можем сейчас исследовать, когда период «инфляции» вызвал всплеск экспоненциального роста Вселенной. (Размер обозначен вертикальной протяженностью сетки на этом графике.) В течение следующих нескольких миллиардов лет расширение Вселенной постепенно замедлялось. Совсем недавно расширение снова начало ускоряться. Предоставлено: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

Физики Михаэль те Вругт и профессор Рафаэль Виттковски из Института теоретической физики и Центра мягкой нанонауки (SoN) Мюнстерского университета вместе с физиком доктором Сабиной Хоссенфельдер из Франкфуртского института перспективных исследований (FIAS) разработали новая модель для этой проблемы. Их отправной точкой был формализм Мори-Цванцига, метод описания систем, состоящих из большого числа частиц с небольшим числом измеряемых величин.

История вопроса: Общая теория относительности, разработанная Альбертом Эйнштейном, является одной из самых успешных теорий современной физики. Две из пяти последних Нобелевских премий по физике связаны с этим: в 2017 году за измерение гравитационных волн и в 2020 году за открытие черной дыры в центре Млечного Пути.

Одно из наиболее важных приложений теории – описание космического расширения Вселенной после Большого взрыва. Скорость этого расширения определяется количеством энергии во Вселенной. Помимо видимой материи, здесь играют роль прежде всего темная материя и темная энергия – по крайней мере, согласно модели Лямбда-CDM, которая в настоящее время используется в космологии.

«Строго говоря, математически неправильно включать среднее значение плотности энергии Вселенной в уравнения общей теории относительности», – говорит Сабина Хоссенфельдер. Теперь вопрос в том, насколько «серьезна» эта ошибка. Некоторые эксперты считают его несущественным, другие видят в нем решение загадки темной энергии, физическая природа которой до сих пор неизвестна. Неравномерное распределение массы во Вселенной может повлиять на скорость космического расширения.

«Формализм Мори-Цванцига уже успешно используется во многих областях исследований, от биофизики до физики элементарных частиц, – говорит Рафаэль Витковски, – поэтому он также предложил многообещающий подход к этой астрофизической проблеме». Команда обобщила этот формализм, чтобы его можно было применить к общей теории относительности, и при этом вывели модель космического расширения, принимая во внимание неравномерное распределение материи во Вселенной.

Модель делает конкретный прогноз влияния этих так называемых неоднородностей на скорость расширения Вселенной. Этот прогноз немного отличается от прогноза, который дает модель Lambda-CDM, и, таким образом, дает возможность проверить новую модель экспериментально. ”

«В настоящее время астрономические данные недостаточно точны, чтобы измерить это отклонение, – говорит Михаэль те Вругт, – но большой прогресс, достигнутый, например, в измерении гравитационных волн, дает нам основания надеяться, что это изменится. Кроме того, новый вариант формализма Мори-Цванцига может быть применен и к другим астрофизическим задачам, поэтому работа актуальна не только для космологии ».