Свръхдалечен изглед на Вселената показва галактики, отдалечени от нас с изключителна скорост. На тези разстояния галактиките изглеждат по-многобройни, по-малки, по-малко еволюирали и се оттеглят при големи червени смени в сравнение с тези наблизо. Кредитна снимка: НАСА, ЕКА, Р. Уиндхорст и Х. Ян.

5 въпроса, които сте били твърде неудобни, за да зададете за разширяващата се Вселена

От това, което се разширява до това дали нещата се движат по-бързо от светлината, това изчиства някои от най-големите ни погрешни схващания.

„Колкото по-ясно можем да насочим вниманието си към чудесата и реалностите на Вселената около нас, толкова по-малко вкус ще имаме за унищожение.“ -Райчъл Карсън

Когато погледнем към далечната Вселена, ние продължаваме да виждаме галактики навсякъде, във всички посоки, за милиони и дори милиарди светлинни години. С приблизително два трилиона галактики, които потенциално могат да бъдат наблюдавани за човечеството, общата сума на онова, което има, е по-голямо и по-зрелищно, отколкото повечето от нас могат да се надяват да си представят. Един от най-озадачаващите факти е, че от всички галактики, които някога сме наблюдавали, всички се подчиняват (средно) на едно и също правило: колкото по-далеч са те от нас, толкова по-бързо изглежда да се отдалечават от нас. Това откритие, направено от Едвин Хъбъл и неговите сътрудници през 20-те години, ни доведе до картината на разширяващата се Вселена. Но какво означава, че Вселената се разширява? Науката знае, а сега и вие ще го направите!

Колкото по-далече гледаме, толкова по-назад във времето към по-слабо развитата Вселена, която виждаме. Но само ако Общата относителност се прилага и управлява разширяващата се Вселена. Кредитна снимка: потребител на Wikipedia Пабло Карлос Будаси.

1.) В какво се разширява Вселената? Това е един от онези въпроси, които звучат толкова разумно, защото всичко останало, което се разширява, е направено от материя и съществува в пространството и времето на Вселената. Но самата Вселена просто е пространство и време и съдържа цялата материя и енергия, присъстващи в нея. Когато казваме „Вселената се разширява“, това имаме предвид, че самото пространство е това, което се разширява, което ни кара да виждаме отделните галактики и струпвания от галактики, всички се отдалечават една от друга. Най-добрата визуализация, която съм виждал, е да представям топче тесто със стафиди в него, печене във фурна.

Моделът

Тестото е тъканта на космоса, стафидите са свързани структури (като галактики или групи / групи от галактики), а от гледна точка на всяка стафида, всички останали стафиди се отдалечават от нея, с по-отдалечените стафиди отдалечаване по-бързо. Само в случая на Вселената няма фурна и няма въздух извън тестото; има само тесто (пространство) и стафиди (материя).

Не просто, че галактиките се отдалечават от нас, причиняват червено изместване, а по-скоро, че пространството между нас и галактиката премества светлината по пътя си от тази далечна точка до нашите очи. Кредитна снимка: Лари Макниш от RASC Calgary Center.

2.) Как да разберем, че тъканта на космоса се разширява, а не само галактики, които се движат с различна скорост? Ако видите обекти да се отдалечават от вас във всички посоки, това може да е, защото пространството между вас и тези обекти се разширява; това е една възможност. Но също така изглежда разумно, че бихте могли да бъдете в близост до центъра на експлозия, а много обекти са само по-далеч и се движат по-бързо днес, защото са получили повече енергия при експлозията. Ако това последно нещо беше вярно, щяха да изпъкнат две доказателства:

  1. Ще има по-малко галактики на големи разстояния и високи скорости, тъй като те ще се разпространяват в пространството по-лесно с течение на времето.
  2. Отношението на червено изместване / разстояние ще се подчинява на много специфична форма на големи разстояния, която ще бъде различна от случая, когато се е разширила тъканта на пространството.
Разликите между обяснението, основано само на движение, за червено изместване / разстояние (пунктирана линия) и прогнозите на общата относителност (плътни) за разстоянията в разширяващата се Вселена. Определено само прогнозите на GR съвпадат с това, което наблюдаваме. Кредитно изображение: Потребителят на Wikimedia Commons Redshiftimprove.

Когато погледнем към големи разстояния, откриваме, че в далечната Вселена има по-голяма плътност на галактиките, отколкото има наблизо. Това е в съответствие с картина, където пространството се разширява, тъй като гледането далеч е същото като гледането в миналото, където е имало по-малко разширяване. Откриваме също, че далечните галактики имат червено изместване и разстояние, съответстващо на тъканта на космоса, разширяваща се, и много не с галактики, които просто се отдалечават бързо от нас. Това е въпрос, на който науката може да отговори по два много различни начина и двата отговора подкрепят разширяващата се Вселена.

Графикът на видимата скорост на разширение (y-ос) спрямо разстояние (x-ос) е в съответствие с Вселената, която се разширява по-бързо в миналото, но продължава да се разширява и днес. Това е модерна версия на, простираща се хиляди пъти по-далеч от оригиналното произведение на Хъбъл. Обърнете внимание на факта, че точките не образуват права линия, което показва промяната на скоростта на разширяване във времето. Кредитна снимка: Нед Райт, въз основа на най-новите данни от Betoule et al. (2014).

3.) Вселената винаги ли се разширява със същата скорост? Наричаме го константата на Хъбъл, но е само константа навсякъде в пространството, а не във всяко „кога“ във времето. В този момент Вселената се разширява с по-бавна скорост, отколкото някога в миналото. Когато говорим за скоростта на разширяване, това е скорост на единица разстояние: около 70 км / с / Mpc днес. („Mpc“ е мегапарсек, или около 3 260 000 светлинни години.) Но скоростта на разширяване зависи от плътностите на всички различни неща във Вселената, включително материя и радиация. С разширяването на Вселената материята и радиацията в нея стават по-малко плътни, а с намаляването на плътността на материята и радиацията намалява и скоростта на разширяване. Вселената се разширяваше по-бързо в миналото и се забавя още от горещия Голям взрив. Константата на Хъбъл е неправилно число; той трябва да се нарича параметър на Хъбъл.

Далечните съдби на Вселената предлагат редица възможности, но ако тъмната енергия е наистина константа, както показват данните, тя ще продължи да следва червената крива. Кредит за изображение: NASA / GSFC.

4.) Вселената ще се разшири ли завинаги, или някой ден ще спре или дори ще се припомни отново? За поколенията това беше един от светите въпроси на граала на космологията и астрофизиката и на него можеше да се отговори само като се определи колко бързо се разширява Вселената и какви са всички различни видове (и количества) енергия, присъстваща в нея. Вече успешно измерихме колко нормална материя, радиация, неутрино, тъмна материя и тъмна енергия има, както и степента на разширяване на Вселената. Въз основа на законите на физиката и на случилото се в миналото, много изглежда, че Вселената ще продължи да се разширява завинаги. Въпреки че това не е 100% сигурност; ако нещо като тъмна енергия се държи различно в бъдеще от това как се държи в миналото и настоящето, всички наши заключения подлежат на преразглеждане.

5.) Има ли галактики, които се отдалечават по-бързо от скоростта на светлината и не е ли забранено? От наша гледна точка пространството между нас и всяка далечна точка се разширява. Колкото по-далече е нещо, толкова по-бързо изглежда да се оттегли от нас. Дори и скоростта на разширение да е мъничка, обект, който е достатъчно отдалечен, в крайна сметка би преминал този праг с всяка крайна скорост, тъй като скоростта на разширение (скорост на разстояние), умножена по достатъчно голямо разстояние, ще ви даде скорост толкова бърза, колкото и вие искате. Но това е добре в Общата относителност! Законът, че нищо не може да пътува по-бързо от скоростта на светлината, се прилага само за движението на обект през пространството, а не за разширяването на самото пространство. В действителност самите галактики се движат само със скорости, които са стотици или хиляди км / сек, много по-ниски от ограничението на скоростта от 300 000 км / с, определено от скоростта на светлината. Именно разширяването на Вселената причинява тази рецесия и червеното изместване, а не истинско галактическо движение.

В рамките на наблюдаваната Вселена (жълт кръг) има приблизително 2 трилиона галактики. Галактиките повече от една трета от пътя до границата на това, което можем да наблюдаваме, никога не могат да бъдат достигнати поради разширяването на Вселената, оставяйки само 3% от обема на Вселената отворен за изследване на човека. Кредитно изображение: потребители на Wikimedia Commons Azcolvin 429 и Frédéric MICHEL / E. Siegel.

Разширяването на Вселената е необходимо следствие от това, че материята и енергията запълват пространство, което се подчинява на законите на общата относителност. Докато има материя, има гравитационно привличане, така че или гравитацията печели и всичко се припомня, или гравитацията губи и разширяването печели. Няма център на разширяването, нито има нещо извън пространството, в което Вселената се разширява; самата материя на Вселената е това, което прави разширяващото се, навсякъде и за всички времена. Най-лудото е, че дори ако днес напуснахме Земята със скоростта на светлината, само 3% от галактиките в наблюдаваната Вселена някога ще бъдат достъпни; 97% от тях вече са извън нашите разбирания. Вселената може да е сложно място, но поне сега знаете отговорите на пет от най-често неразбраните й въпроси!

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги: „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Наука за звезден път от трикрилите до Warp Drive“.