хочу все знать: о метрическом расширении вселенной

[avva]

Может, найдутся добрые люди, знающие космологию, которые помогут мне понять, каким образом метрическое расширение Вселенной происходит на уровне сверхскоплений галактик, но не на уровне нашей местной группы галактик, нашей галактики или нашей Солнечной системы?

Если вообще можно это понять хоть в какой-то мере без хорошего владения началами ОТО/космологии на серьезном уровне (этого у меня нет).

Например, то, что пишет английская википедия на эту тему, вводит меня в тупик: "Once objects are formed and bound by gravity, they "drop out" of the expansion and do not subsequently expand under the influence of the cosmological metric, there being no force compelling them to do so". Непонятно вообще ничего. Ни что значит "bound by gravity" (где проходит качественная разница между притяжением соседней звезды и далекой галактики?), ни что значит "drop out of the expansion", ни о какой силе идет речь.

Я нашел заметку на сайте Джона Баэза, которая пытается более подробно это объяснить. Из нее я понял, что FRW-модели Вселенной следует понимать как очень приближенные, не работающие в "мелких" масштабах типа галактики. Но все равно непонятно. Значит ли это, что мы не знаем на самом деле, почему метрика не расширяется в мелких масштабах, и можем лишь эмпирически оценить, используя данные о красном смещении, когда начинаются "крупные" масштабы? Или у нас есть какая-никакая общепринятая теория, которая математически стройно описывает стабильность метрики в мелких масштабах, и предсказывает, где пролегает граница? Если есть, то что это за теория, и что собственно происходит с метрикой в мелких масштабах: нулевое изменение или всего лишь очень незначительное, не поддающееся измерению в феноменах типа красного смещения?

Спасибо заранее всем людям доброй воли за ваши ответы.

Comments

[trepang.livejournal.com]

насколько я понимаю, внутри групп галактик, галактик и планетных систем действует гравитационный баланс, более существенный для этих скоплений, чем расширение. то есть расширяются как бы апельсины в авоськах: авоськи разлетаются, а апельсины внутри них нет.

[dmpogo.livejournal.com]

Скопления галактик, и более мелкие структуры - гравитационно связанные, и удерживаются от разлетания гравитационным притяжением более плотного вещества чем среднее по Вселенной.

(скопления галактик практически по определения - наибольшие существующие гравитационно сязанные объекты)

[dmpogo.livejournal.com]

Граница пролегает, грубо говоря, по масштабу на котором неоднородности плотности являются нелинейными (относительное возмущение плотности по отношению к среднему достигает единицы).

В современной космологической модели, неоднородности на астрофически существенных масштабов начались с малых линейных вознущений, которые впоследствие росли за счет гравитационной неустойчивости. Чем меньше масштаб, тем больше начальное возмущение, поэтому первыми стали нелинейными наименьшие масштабы.
К настояшему времени нелинейности достигли возмущемия масштаба скоплений галактик

[melkore.livejournal.com]

Программа упражнений для читателей данного поста:

• Каждый раз когда отвечает нефизик, делаем 5 отжиманий;
• На каждый комментарий, начинающийся с "насколько я понимаю", делаем 10 отжиманий;
• На каждый ответ Аввы в теме делаем 15 отжиманий;
• Плюс по 5 отжиманий на каждую бытовую метафору, описывающую поведение сверхскоплений галактик.

[ksega.livejournal.com]

FRW -- это метрика расчитанная в модели однородной вселенной. На мелких масштабах само-гравитация играет гораздо большую роль, поэтому структуры как-бы отсоединяются от Hubble flow. Ну и просто усредненное уравнение для всей вселенной не применимо для маленьких систем.
Но та же темная энергия в некоторых условиях может привезти к разрушению галактик, атомов http://arxiv.org/abs/astro-ph/0302506

[sergey-ver.livejournal.com]

Я несколько упрощаю, но в целом примерно так:

1. Теория действительно чисто глобальная. Всеръёз применять её к мелким объектам типа локальной группы не правильно - всё таки она построена по данным крупномасштабных наблюдей, вблизи эффекты локального распределения вещества будут существенно больше.
2. Расширение Вселенной локально, de facto, будет более-менее проявляться как дополнительная сила, расталкивающая объекты, и возрастающаю при увеличении расстояния между ними. Причём Галактика, вообще-то, маленькая - в её масштабах эффект далеко за пределами возможности наблюдения. Про Солнечную систем и говорить нечего. Кроме того в гравитационно связанной системе эта сила, грубо говоря, просто приведёт к незначительному статическому увеличению радиусов орбит, не меняя принципиально физику происходящих процессов, и никакого расширения наблюдаться не будет.

[michael.ul.myopenid.com (from livejournal.com)]

Расширение Вселенной можно рассматривать как некоторую силу, действующую на все тела и придающую им ускорение, зависящее от расстояния до них. Ускорение легко получить из закона Хаббла: u=Hr, u - скорость убегания, H - постоянная Хаббла, r - расстояние. Дифференцируя это уравнение по времени, получаем ускорение u'=Hr'=Hu=H^2r (в пренебрежении зависимостью от времени самой постоянной Хаббла). С другой стороны, ускорение, вызванное гравитационным притяжением равно u'=Gm/r^2. Если ускорение Хаббла больше гравитационного, объекты разбегаются, если меньше - они гравитационно связаны (очень грубо, конечно). Приравнивая эти два ускорения друг другу можно оценить расстояние, на котором сохраняется гравитационная связность: r^3=Gm/H^2. Собственно, зависимость этого расстояния от корня кубического из массы гравитирующего тела и приводит к тому, что мелкомасштабные системы намного лучше связаны, нежели крупномасштабные. Вот некоторые оценки расстояния гравитационной связности для разных объектов:

Протон: r=27 см
Земля: r=280000 а.е.
Солнце: r=90 пс (соседние звёзды в галактике гравитационно связаны)
Млечный Путь: r=1 Мпс (местная группа галактик связана слабо)
Сверхскопление девы: r=20 Мпс (тут уже ни о какой гравитационной связности говорить не приходится)

Грубо говоря, размер объектов растёт быстрее, нежели расстояние, до которого дотягивается их гравитация.

[olgana.livejournal.com]

Может интересно будет

http://www.youtube.com/watch?v=G_MFhAoUUmQ

[roving-wiretrap.livejournal.com]

+++где проходит качественная разница между притяжением соседней звезды и далекой галактики?+++ Наверное, нигде. Просто вклад притяжения между нами и далекой галактикой в ее движение относительно нас очень мал.

[roving-wiretrap.livejournal.com]

Вот, наверное, по теме.

The Effect of Cosmological Expansion on Self-Gravitating Ensembles of Particles (http://articles.adsabs.harvard.edu//full/1971ApJ...168....1N/0000001.000.html)

Influence of global cosmological expansion on local dynamics and kinematics (http://www.ugr.es/~zink/cosmo/GiuliniRMP.pdf)

[set-chemist.livejournal.com]

отличный камент, спасибо!

[vnarod.livejournal.com]

Если не помрем то накачаемся :)

[Алексей Жданов (from livejournal.com)]

это единственный коммент который я понял, спасибо. ))

[gul-kiev.livejournal.com]

Разве это расширение не пропорционально расстоянию? Пишут, что оно "однородно и изотропно". Скажем, было бы понятно что-то вроде "на 1% за миллион лет", независимо от расстояния. Тогда этот 0.000001% в год можно было бы одинаково наблюдать хоть по скоплениям галактик, хоть по орбитам планет, хоть в лаборатории.
А когда в больших масштабах расширяется сильно, а в мелких почти не расширяется - действительно непонятно.

[gul-kiev.livejournal.com]

Спасибо.
Только всё равно не всё понятно.
Для мелких масштабов сила гравитации больше, чем эта расширяющая сила. Ok, но, например, для планеты сила гравитации уравновешивается силой инерции. То, что для Луны, например, сила притяжения Солнца больше, чем сила притяжения Земли, не мешает ей быть спутником Земли, а если бы Солнце не светило, жители Луны могли бы о нём и вовсе не знать - гравитационная связанность не влияет на наблюдаемые физические явления, если мы находимся в свободном падении.

Даже если расширяющая сила во много раз меньше гравитационной - разве она не должна приводить к постепенному увеличению орбит планет и в конце концов к их разлёту от звезды? Пусть медленному - но примерно с той же скоростью, как разлетаются гравитационно несвязанные объекты (пропорционально расстоянию между ними). Чтобы покинуть звезду, необязательно прилагать силу больше, чем сила притяжения звезды - достаточно прилагать небольшую силу, но долго.

И, кстати, ещё интересно, не приводит ли это метрическое расширение к нарушению закона сохранения энергии?

[michael.ul.myopenid.com (from livejournal.com)]

Пример с Солнцем и Луной несколько неудачен. Там фишка в том, что гравитация Солнца слабо влияет на систему Земля-Луна, поскольку гравитационное поле Солнца можно считать приблизительно однородным на масштабах расстояния от Земли до Луны. А однородное гравитационное поле, как учит нас Эйнштейн, оно что есть, что нету, никто и не заметит.

Про разлёт могу сказать следующее. Псевдосила от разбегания, также как и гравитационная, направлена вдоль линии, соединяющей два тела, поэтому её можно учесть как поправку к массе гравитирующего тела. Если оценить эту поправку для системы Солнце - Земля, то получим, что за счёт разбегания эффективная масса Солнца ниже реальной примерно на 250 тысяч тонн. Учитывая, что только за счёт излучения (без солнечного ветра) Солнце в секунду теряет порядка 4-х миллионов тонн, можно сказать что расширение Вселенной на динамику планетарных систем не оказывает никакого влияния.

С галактиками - фиг его знает. В первом порядке, как я уже сказал, расширение может быть проинтерпретировано как снижение массы центрального тела. Круговые орбиты остаются круговыми, просто движение по ним будет немного замедленно, и радиус их меняться не должен. Что за эффекты вылезут в следующих порядках - я просто не знаю. Но думаю, чтобы они проявились, должно пройти существенно больше времени, чем галактики просуществовали на данный момент.

Понятно, что в классической механике расширение энергию как-то не очень сохраняет, галактики двигаются относительно нас с ускорением, их кинетическая энергия растёт. Однако, подозреваю, что какую-то сохраняющуюся модифицированную энергию можно ввести и в этом случае, так как закон сохранения энергии есть следствие инвариантности законов физики относительно трансляции во времени, а, если не учитывать изменения постоянной Хаббла со временем, то это наш случай. Если же рассматривать задачу как положено, то есть в рамках ОТО, то там чёрт ногу сломит с этой энергией. Во избежание травмы головного мозга, вопросом о сохранении энергии в ОТО вообще лучше не задаваться.

[imfromjasenevo.livejournal.com]

во-во, был на одном семинаре об ОТО (и понял, ну его нафиг, и записался на другой спецкурс), в этой теории буквально все вопросы не тривиальны. Задача о нахождении поля вокруг сферической массы не уложилось в тот семинар, при этом использовались нетривиальные приближения, так понял, что там до сих пор есть проблемы и в простейшем симметричном случае нахождения поля.

[gul-kiev.livejournal.com]

Действие псевдосилы можно учесть как поправку к массе - понятно. Но как поправку к гравитационной массе, а инертная остаётся прежней, и за счёт этого орбиты перестают быть замкнутыми - так?

250 тысяч тонн - пренебрежимо мало. Но ведь при увеличении масштаба в миллион раз скорость разбегания должна увеличиться тоже в миллион раз, и будет настолько же пренебрежимо малой (по отношению к расстоянию).

Есть предположение.
Разлёт скоплений галактик настолько же незаметен на наших временных масштабах, как разлёт планет, а метрическое расширение мы фиксируем исключительно по красному смещению. Непосредственно мы в равной степени не можем увидеть метрическое расширение ни на больших масштабах, ни на маленьких.
Да?

Только тогда получается, что гравитационная связанность не при чём.

[roman-rogalyov.livejournal.com]

Про гравитационную связность в комментах выше вроде бы всё разъяснили... А общую картину расширения Вселенной ( и объяснение, почему видимая часть Вселенной имеет радиус 46 млрд.св.лет (а не 13.7, как это может на первый взгляд показаться :-) смотрите здесь (http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmology_faq.html#DN)

[av-rybin.livejournal.com]

А как объясняют начальную стадию инфляции, когда за первые нанонанонано доли секунды вселенная расширилась в 10^1000 раз, а потом скорость расширения сократилась на много порядков, а сейчас вроде бы мы в стадии нового ускорения, но все равно не с такой бешенной скоростью, как в первое мгновение после БВ, - как это все объясняют физики? Откуда такие скачки в скорости расширения? Почему эта скорость не постоянна?
(Если я чего напутал, то пше прашем, ибо не физик я, но слегка наслышан.)

[michael.ul.myopenid.com (from livejournal.com)]

И расширение и гравитация сообщают ускорение, не зависящее от массы ускоряемого. То есть инертная и гравитационная массы тут эквивалентны. Ещё бы, и то и другое, следствие ОТО, где эта эквивалентность прямо постулируется ) Незамкнутость орбит прекрасно возникает и без расширения, см. прецессию перигея Меркурия.

Разлёт скоплений вполне себе заметен и наблюдается путём измерения скорости этого разлёта. Другое дело, что последствия этого при жизни одного человека наблюдать затруднительно. Но на масштабах времени, сравнимых с временем жизни галактик, они более чем заметны. А вот разлёт планет в солнечных системах на этих же масштабах времени - нет.

[michael.ul.myopenid.com (from livejournal.com)]

Инфляцию ввели для объяснения наблюдаемой изотропности Вселенной, то есть это в какой-то степени гипотеза, выдвинутая исходя из наблюдаемых фактов. А вот почему инфляция случилась - это уже совсем другой вопрос и вряд ли на него может быть дан ответ вне теории Великого Объединения. А поскольку теории нет, то есть только гипотезы разной степени заумности, вглубь которых лучше не соваться.

Я не физик насколько я понимаю, но

[lyuden.livejournal.com]

Вот вам моя бытовая метафора.

Сделаем свою одномерную вселенную с гравитационным притяжением и электрическими зарядами (только положительными, отрицательные куда то делись). Пусть пространство в этой вселенной будет квантовано, более того с ненулевой вероятностью между двумя соседними квантами пространства будут возникать новые кванты пространства. Тогда если квант пространства появится "внутри" системы из двух тел, то такая система выйдет из равновесия начнет двигаться ускоренно и постепенно вернется в исходное состояние, теряя энергию на эм излучение. Расстояние между объектами будет определяться опять только массой, и зарядом. Если же новый квант появится "вне" такой системы, то мы увидим просто разбегание этих галактик. Таким образом мы получаем качественно различное поведение объектов связанных гравитацией и объектов ей не связанных. Такие дела.

Ладно я свои 20 отжиманий обеспечил.

[av-rybin.livejournal.com]

Ну то есть эта красивая картинка с колоколообразной расширяющейся вселенной - иллюстрация "подгонки под кривую"?

[michael.ul.myopenid.com (from livejournal.com)]

Типа того. И возможно, лет через 20-30 эта кривая будет выглядеть как-то по другому. Космология сейчас активно развивается и какие ещё факты будут накопаны и какие кривые под них придётся рисовать, никто не знает.

[avva.livejournal.com]

Что это в точности значит - "гравитационно связанные"?

[avva.livejournal.com]

Т.е. предполагается все-таки, что в пределах Галактики эта дополнительная сила тоже действует, просто она настолько слабее гравитации, что невозможно ее обнаружить?

[avva.livejournal.com]

Спасибо!

[avva.livejournal.com]

Большое спасибо!

Т.е. "быть гравитационно связанными" для пары объектов просто означает, что притяжение сближает (точнее, стремится сближать) их сильнее, чем расширение расталкивает. И нет какого-то непонятного механизма, который для "гравитационно связанных" объектов просто берет и "отменяет" действие расширения. Действие остается, просто очень незначительное.

Верно ли будет в таком случае представлять (в виде метафоры) расширение как процесс, который непрерывно во всех точках пространства "генерирует новое пространство", расталкивающее существующее точки дальше друг от друга, и верно ли будет сказать, что скорость этого генерирования одинакова внутри галактик, внутри скоплений, вне скоплений итд.?

Если это так, то можно ли эту скорость (на данный момент? я помню, что вроде бы сейчас считается, что есть ускорение, т.е. скорость меняется) оценить? Типа сказать - сантиметр длины на столе передо мной ровно через секунду в какую длину превратится.

[begemotv2718.livejournal.com]

Потенциальная энергия гравитационного взаимодействия объектов больше их кинетической энергии.

Ну или другими словами, объекты, предоставленные сами себе образуют связанную систему, а не разлетаются на бесконечность.

[dmpogo.livejournal.com]

Здесь вполне достаточно определение гравитационной связанности
в ньютоновоском смысле, как в солнечной системе - меньше, по модулю, кинетической энергии чем потенциальной (отрицательной, возникающей за счет локального гравитационного взаимодействия). Другими словами - недостаток скоростей компонентов чтобы разлететься 'на бесконечность' от общего центра притяжения.

(избегая формулировки 'полная энергия отрицательна' чтобы не связываться
с определением потенциальной энергии на бесконечности в космологических моделях)

Говоря чуть о другом. Представьте во вселенной сферическуя область, в которой плотность чуть выше чем средний. такая область сначала будет расширятся практически как однородная вселенная в целом. Но чуть медленнее, за счет дополнительного гравитационного притяжения к своему центру. Это отставание приводит к еще большему росту плотности внутри _по сравнению со средней_. И т.д.. В конце концов область перестает расширятся и начинает схлопываться (как камень подброшенный наверх (*) ). Схлопнувшись, происходит релаксация - перераспределение энергии между элементами внутри этой сферы, и в результате формуруется стационарнй объект с неменяющимся радиусом.

Удивительно что такая сферическая модель достаточно точна даже для не сферических неоднородностей.

(*) Note: при осустсвии Ламбда-члена (темной энергии), сила действующая на вещество в расширяющейся вселенной отрицательная, расширение происходит с замедлением. Поэтому ничто не может помешать схлопыванию области которая более плотная. Если же есть Ламбда член, то когда он начинает доминировать, расширение станивится ускоренным, поэтому на границу плотной области со стороны 'вселенной' действует сила на растягивание, и локальной гравитации может не хватить на то чтобы ее преодолеть. Действительно, в такой модели, только области которые начали схлопываться до того как Ламбда член стал важен, формируют гравитационно связанные объекты. Если область опоздала, она уже не схлопнится никогда. Поэтому в преобладающей сейчас модел, с ускорением, уже никогда не сформируются объекты больше по массе чем уже сформировашиеся к нашему времени

[ichthuss]

Собственно говоря, постоянная Хаббла (или, точнее, параметр Хаббла), 2,28·10⁻¹⁸ c⁻¹ - это оно и есть.

[ichthuss]

В некотором смысле любые утверждения о прошлом являются результатом подгонки под кривую.

[michael.ul.myopenid.com (from livejournal.com)]

1) Да. На малых расстояниях расширение много меньше гравитации и им можно пренебречь, на больших - наоборот. Переход, конечно, плавный, то есть существуют системы промежуточного масштаба, для описания динамики которых необходимо учитывать и гравитацию и растяжение. Я уже приводил цифры, это масштаб, соответствующий небольшим скоплениям галактик типа Местной группы.

2) Очень грубо, да. На самом деле, конечно, мы не знаем работает ли расширение на малых масштабах, потому что эффекты от него практически ненаблюдаемы.

3) Скорость, как уже заметили выше, даётся постоянной Хаббла. Отрезок длиной r через время t (малое, на больших будет более сложная формула) станет равным r+dr, где dr=Hrt. То есть, постоянная Хаббла имеет смысл относительного приращения длины в единицу времени.

[orlangur-8eyed.livejournal.com]

Но если рассматривать его как силу и эта сила изменяется со временем, то не является ли это нарушением закона сохранения энергии?

[nalivalovo.livejournal.com]

Насколько я понимаю (хотя я и не физик, пусть Авва меня поправит), поведение сверхскоплений галактик можно представить как поведение кучи авосек с апельсинами.

Расширяющая сила реальна?

[omicron-persei8.livejournal.com]

А реальна ли эта псевдосила? Ну например, если мы поместим вдали от других тяготеющих тел 2 предмета на значительном расстоянии и неподвижно относительно друг друга. Вопрос: начнут ли они разбегаться? Почему?

Или, возможно, наблюдаемое разбегание происходит по инерции после Большого взрыва?