Вивчення космічного розширення за допомогою методів фізики багатьох тіл

На основі формалізму Морі-Цванціга (*) фізики створили модель, що надає конкретне передбачення впливу неоднорідностей у Всесвіті на швидкість його розширення.

Про це розповідають в Університеті Мюнстера (Німеччина), передають OstanniPodii.com

У космологічних розрахунках майже завжди передбачається, що у Всесвіті існує рівномірний розподіл матерії. Це пов’язано з тим, що розрахунки були б занадто складними, якби потрібно було враховувати положення кожної окремої зірки. Насправді Всесвіт неоднорідний: в одних місцях є зорі та планети, в інших просто порожнеча.

Фізики-теоретики розробили нову модель для розв′язання цієї проблеми. Їх відправною точкою був формалізм Морі-Цванціга – метод опису систем, що складаються з великої кількості частинок з невеликою кількістю вимірюваних величин.

Результати дослідження були опубліковані в журналі Physical Review Letters.

Для довідки: загальна теорія відносності, розроблена Альбертом Ейнштейном, є однією з найуспішніших теорій сучасної фізики. Дві з п’яти останніх Нобелівських премій з фізики пов’язані з нею: у 2017 році за вимірювання гравітаційних хвиль та у 2020 році за відкриття чорної діри в центрі Чумацького Шляху. Одним з найважливіших застосувань теорії є опис космічного розширення Всесвіту після Великого Вибуху. Швидкість цього розширення визначається кількістю енергії у Всесвіті. Крім видимої матерії, тут відіграють роль, перш за все, темна матерія та темна енергія — принаймні, згідно з моделлю Lambda-CDM, яка зараз використовується в космології.

«Власне кажучи, математично неправильно включати середнє значення щільності енергії Всесвіту до рівнянь загальної теорії відносності», — каже докторка Сабіна Хоссенфельдер з Франкфуртського інституту перспективних досліджень (FIAS).

Тепер питання полягає в тому, наскільки "поганою" є ця помилка. Одні експерти вважають її неактуальною, інші бачать у ній вирішення загадки темної енергії, фізична природа якої досі невідома. Нерівномірний розподіл маси у Всесвіті може впливати на швидкість космічного розширення.

«Формалізм Морі-Цванціга вже успішно використовується в багатьох областях досліджень, від біофізики до фізики елементарних частинок», — каже професор Рафаель Вітковскі з Інституту теоретичної фізики та Центру м’яких нанонаук (SoN) при Університеті Мюнстера. «Тому він також пропонує багатообіцяльний підхід до цієї астрофізичної проблеми».

Команда узагальнила цей формалізм так, щоб його можна було застосувати до загальної теорії відносності, і, таким чином, вивела модель космічного розширення з урахуванням нерівномірного розподілу матерії у Всесвіті.

Модель надає конкретне передбачення впливу цих так званих неоднорідностей на швидкість розширення Всесвіту. Це передбачення дещо відхиляється від того, що дає модель Lambda-CDM, і, таким чином, дає можливість експериментально перевірити нову модель.

«Наразі астрономічні дані недостатньо точні, щоб виміряти це відхилення», — каже Міхаель те Вругт, теж фізик з Університету Мюнстера. «Але великий прогрес, досягнутий, наприклад у вимірюванні гравітаційних хвиль дає нам підстави сподіватися, що ситуація зміниться. Окрім того, новий варіант формалізму Морі-Цванціга може бути застосований до інших астрофізичних проблем, тому ця робота актуальна не лише для космології».

* Формалізм Морі-Цванціга, названий на честь фізиків Хадзіме Морі та Роберта Цванціга, — метод статистичної фізики. Він дозволяє розділити динаміку системи на релевантну та нерелевантну частини за допомогою операторів проєкції, що дозволяє знаходити замкнуті рівняння руху релевантної частини. Він використовується, зокрема, в гідроаеромеханіці та фізиці конденсованих середовищ.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.