Внушително огромният галактически клъстер MACS J1149.5 + 223, чиято светлина отне 5 милиарда години, за да достигне до нас, беше целта на една от програмите на Hubble Frontier Fields. Този масивен обект гравитационно обективира обектите зад него, като ги разтяга и увеличава и ни позволява да виждаме по-далечни вдлъбнатини на космоса, отколкото в сравнително празен регион. Обявените галактики са сред най-отдалечените от всички и могат да бъдат използвани за тестване на природата на червено изместване в нашата Вселена. (НАСА, ESA, S. RODNEY (УНИВЕРСИТЕТ JOHN HOPKINS, САЩ) и THE FRONTIERSN TEAM; T. TREU (УНИВЕРСИТЕТ НА КАЛИФОРНИЯ LOS ANGELES, САЩ), P. KELLY (УНИВЕРСИТЕТ НА КАЛИФОРНИЯ БЕРКЕЛЕЙ, САЩ) И THE GLASS TEAM; LOTZ (STSCI) И ЕКИПЪТ НА ПРЕДНИТЕ ПОЛОВИ; M. POSTMAN (STSCI) И THE CLASH TEAM; И Z. LEVAY (STSCI))

Попитайте Итън: Може ли „Космическият преместване“ да бъде причинен от галактическо движение, а не от разширяване на пространството?

И двата ефекта биха могли да са отговорни за червено изместване. Но само един има смисъл за нашата Вселена.

Във физиката, както и в живота, често има множество решения на проблем, които ще ви дадат същия резултат. В нашата действителна Вселена обаче има само един начин реалността да се разгърне. Голямото предизвикателство, което се представя пред учените, е да разберат коя от възможностите, които природата позволява, е тази, която описва реалността, която обитаваме. Как да направим това с разширяващата се Вселена? Това иска да знае Виджай Кумар, питайки:

Когато наблюдаваме далечна галактика, светлината, идваща от галактиката, се измества отново или поради разширяване на пространството, или всъщност галактиката се отдалечава от нас. Как да разграничим космологичното червено изместване и доплеровото червено изместване? Потърсих в интернет отговори, но не можах да получа разумен отговор.

Коловете са сред най-високите там и ако се оправим, можем да разберем същността на самата Вселена. Но трябва да гарантираме, че не се заблуждаваме.

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. (НАСА, ЕКА, Р. ВИНДХОРСТ И Х. ЯН)

Когато погледнете далечен обект в небето, можете да научите много за него, като наблюдавате неговата светлина. Звездите ще излъчват светлина въз основа на тяхната температура и скоростта, с която те запалват елементи в сърцевината си, излъчвайки въз основа на физичните свойства на своите фотосфери. Необходими са милиони, милиарди или дори трилиони звезди, за да съставят светлината, която виждаме, когато изследваме далечна галактика и от нашата гледна точка тук, на Земята, получаваме тази светлина наведнъж.

Но има огромно количество информация, кодирана в тази светлина, и астрономите са измислили как да го извлекат. Разбивайки светлината, която пристига в индивидуалните й дължини на вълната - чрез оптичната техника на спектроскопията, можем да намерим специфични характеристики на емисия и абсорбция сред фоновия континуум на светлината. Където има атом или молекула с правилните енергийни нива, той поглъща или излъчва светлина с явни, характерни честоти.

Видимият светлинен спектър на Слънцето, който ни помага да разберем не само неговата температура и йонизация, но и изобилието на присъстващите елементи. Дългите, дебели линии са водород и хелий, но всяка друга линия е от тежък елемент, който трябва да е създаден в звезда от предишно поколение, а не от горещия Голям взрив. Всички тези елементи имат специфични подписи, съответстващи на явна дължина на вълната. (NIGEL SHARP, NOAO / НАЦИОНАЛНА СОЛАРНА АБЗЕРВАТОРИЯ В KITT PEAK / AURA / NSF)

Дали един атом е неутрален, йонизиран един, два или три пъти, или е свързан заедно в молекула, ще определи какви точно дължини на вълната излъчва или абсорбира. Винаги, когато открием множество линии, излъчвани или абсорбирани от един и същ атом или молекула, ние определяме уникално неговото присъствие в системата, която разглеждаме. Съотношенията на различните дължини на вълните, излъчвани и абсорбирани от един и същ тип атом, йон или молекула, никога не се променят в цялата Вселена.

Но въпреки че атомите, йони, молекулите и квантовите правила, управляващи техните преходи, остават постоянни навсякъде в пространството и по всяко време, това, което наблюдаваме, не е постоянно. Това е така, защото различните обекти, които наблюдаваме, могат да имат систематично изместване на светлината им, като поддържат съотношенията на дължината на вълната еднакви, но изместват общата дължина на вълната с общ мултипликативен фактор.

За първи път отбелязан от Vesto Slipher през 1917 г., някои от обектите, които наблюдаваме, показват спектрални сигнали за абсорбция или излъчване на определени атоми, йони или молекули, но със систематично изместване към червения или синия край на светлинния спектър. (VESTO SLIPHER, (1917): PROC. AMER. PHIL. SOC., 56, 403)

Въпросът, на който искаме научен отговор, разбира се, е „защо това се случва?“ Защо светлината, която наблюдаваме от отдалечени обекти, изглежда се измества наведнъж, в едно и също съотношение за всички линии във всеки отделен обект, който наблюдаваме?

Първата възможност е тази, с която се сблъскваме непрекъснато: доплерова смяна. Когато един излъчващ вълна обект се движи към вас, има по-малко пространство между гребените на вълната, които получавате, и следователно честотите, които наблюдавате, се изместват към по-високи стойности от излъчваните честоти от източника. По същия начин, когато емитер се отдалечи от вас, между гребените има повече пространство и следователно наблюдаваните честоти се изместват към по-дълги стойности. Вие сте запознати с това от звуците, излъчвани от движещи се превозни средства - полицейски сирени, линейки, камиони за сладолед - но това се случва и за източници на светлина.

Обект, който се движи близо до скоростта на светлината, която излъчва светлина, светлината, която излъчва, изглежда изместена в зависимост от местоположението на наблюдателя. Някой отляво ще види източника да се отдалечава от него и по този начин светлината ще бъде изместена отново. някой отдясно на източника ще го види изместен или изместен на по-високи честоти, докато източникът се движи към него. (WIKIMEDIA COMMONS ПОТРЕБИТЕЛ TXALIEN)

Има втора правдоподобна възможност обаче: това може да бъде космологична промяна. В общата относителност (нашата теория за гравитацията) е физически невъзможно да има статична Вселена, която да е изпълнена с материя и радиация в нея. Ако имаме Вселена, която е на най-големите везни, пълна с равни количества енергия навсякъде, тази Вселена е принудена или да се разшири, или да свие.

Ако Вселената се разшири, светлината, излъчена от далечен източник, ще бъде разтегната с дължината на вълната, тъй като самата тъкан на пространството се разширява, което води до червено изместване. По подобен начин, ако Вселената се свие, излъчената светлина ще бъде сгъстена с дължина на вълната, което ще доведе до силен смяна.

Илюстрация за това как работят червените смени в разширяващата се Вселена. Когато една галактика все повече се отдалечава, тя трябва да измине по-голямо разстояние и за по-голямо време през разширяващата се Вселена. Ако Вселената свиваше, вместо това светлината ще изглежда синьо изместена. (LARRY MCNISH OF RASC CALGARY CENTER, VIA CALGARY.RASC.CA/REDSHIFT.HTM)

Когато погледнем към галактиките, които всъщност имаме във Вселената, по-голямата част от тях не са просто изместени, а са преместени в размер, пропорционален на тяхното разстояние от нас. Колкото по-далече е дадена галактика, толкова по-голямо е нейното червено изместване и законът е толкова добър, че тези две свойства се увеличават пряко пропорционално една на друга.

За първи път представен в края на 20-те години от учени като Жорж Лемайтре, Хауърд Робъртсън и Едвин Хъбъл, това се приема дори в онези ранни дни като огромно доказателство в полза на разширяващата се Вселена. С други думи, преди близо век хората вече приемаха обяснението, че то разширява пространството, а не доплерова смяна, която е отговорна за наблюдаваната връзка на червено изместване и разстояние.

С течение на времето, разбира се, данните станаха още по-добри в подкрепа на този закон.

Оригиналните наблюдения от 1929 г. на разширяването на Хъбъл във Вселената, последвани от последващи по-подробни, но и несигурни наблюдения. Графиката на Хъбъл ясно показва връзката на червено изместване и превъзходни данни към своите предшественици и конкуренти; съвременните еквиваленти отиват много по-далеч. (ROBERT P. KIRSHNER (R), EDWIN HUBBLE (L))

Както се оказва, всъщност има общо четири възможни обяснения за връзката на червено изместване и разстояние, която наблюдаваме. Те са както следва:

  • Светлината от тези далечни галактики се „уморява” и губи енергия, докато пътува през космоса.
  • Галактиките се развиха от първоначален взрив, който изтласква някои галактики по-далеч от нас от настоящето.
  • Галактиките се движат бързо, където по-бързо движещите се по-високи червени изместващи се галактики се навиват все по-далеч във времето.
  • Или самата материя на пространството се разширява.

За щастие, има начини за наблюдение, за да различим всяка от тези алтернативи една от друга. Резултатите от нашите наблюдателни тестове дават ясен победител.

Според хипотезата за уморена светлина броят на фотоните в секунда, които получаваме от всеки обект, спада пропорционално на квадрата на неговото разстояние, докато броят на обектите, които виждаме, се увеличава с квадрата на разстоянието. Обектите трябва да са по-червени, но трябва да излъчват постоянен брой фотони в секунда като функция на разстоянието. В разширяващата се вселена обаче получаваме по-малко фотони в секунда с течение на времето, защото те трябва да изминават по-големи разстояния с разширяването на Вселената, а енергията също се намалява с червеното изместване. Дори факторирането в еволюцията на галактиката води до променяща се яркост на повърхността, която е по-слаба на големи разстояния, в съответствие с това, което виждаме. (WIKIMEDIA COMMONS ПОТРЕБИТЕЛ STIGMATELLA AURANTIACA)

Първият е да се разгледа яркостта на повърхността на далечни галактики. Ако Вселената не се разширяваше, една по-далечна галактика би изглеждала по-бледа, но еднаквата плътност на галактиките щеше да гарантира, че се срещаме с повече от тях, колкото по-далече изглеждаме. Във Вселената, където светлината се уморява, ще получим постоянна числена плътност на фотоните от прогресивно по-далечните галактики. Единствената разлика е, че светлината ще изглежда по-червена, колкото по-далеч са галактиките.

Това е известно като тест за повърхностна яркост на Толман и резултатите ни показват, че яркостта на повърхността на далечни галактики намалява като функция на червено изместване, вместо да остане постоянна. Хипотезата за уморена светлина не е добра.

3D реконструкцията на 120 000 галактики и техните групиращи свойства, се основава на червеното им изместване и мащабната структура на структурата. Данните от тези проучвания ни позволяват да извършим дълбоки преброявания на галактики и установяваме, че данните са в съответствие със сценария на разширяване, а не с първоначален взрив. (JEREMY TINKER И СЪБИРАНЕТО SDSS-III)

Хипотезата за експлозията е интересна, защото ако видим как галактиките се отдалечават от нас във всички посоки, може да се изкушим да заключим, че е имало експлозия отдавна, с галактиките, които виждаме да се държат като външно движещи се шрапнели. Това обаче трябва да е лесно за откриване, тъй като на най-големи разстояния трябва да има по-малък брой галактики на обем на единица.

От друга страна, ако Вселената се разширява, всъщност трябва да очакваме по-голям брой галактики на единица обем на най-големите разстояния и тези галактики трябва да са по-млади, по-малко еволюирали и по-малки по маса и размер. Това е въпрос, който може да бъде разрешен наблюдателно и съвсем окончателно: дълбоките числа на галактиките показват разширяваща се Вселена, а не такава, където галактиките са били хвърляни на големи разстояния от експлозия.

Разликите между обяснението, базирано 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 Общата относителност съответстват на това, което наблюдаваме. (WIKIMEDIA COMMONS ПОТРЕБИТЕЛ НА REDSHIFTIMPROVE)

И накрая, има директен тест за разместване на червено изместване, който можем да извършим, за да определим дали червеното изместване се дължи на Доплерово движение или на разширяваща се Вселена. Има различни начини за измерване на разстояние до обект, но двата най-често срещани са следните:

  • разстояние на ъглов диаметър, където знаете физическия размер на даден обект и извеждате разстоянието му въз основа на това колко голям е,
  • или разстояние на светене, при което знаете колко ярък е даден обект и извеждате разстоянието му въз основа на това колко ярко изглежда.

Когато погледнете към далечната Вселена, светлината трябва да пътува през Вселената от излъчващия обект към очите ви. Когато правите изчисленията, за да реконструирате правилното разстояние до обекта въз основа на вашите наблюдения, няма съмнение: данните са съгласни с разширяващите се прогнози на Вселената, а не с обяснението на Доплер.

Това изображение показва SDSS J0100 + 2802 (в центъра), най-яркият квазар в ранната Вселена. Светлината идва от нас, когато Вселената е била само на 0,9 милиарда години, спрямо 13,8 милиарда годишна възраст, която имаме днес. Въз основа на неговите свойства можем да заключим разстояние до този квазар от ~ 28 милиарда светлинни години. Имаме хиляди квазари и галактики с подобни измервания, установявайки извън разумното съмнение, че червеното изместване се дължи на разширяването на пространството, а не на Доплерово изместване. (СЛОАН ДИГИТАЛЕН СКАЙНСКИ ОПИТ)

Ако живеехме във Вселената, където далечните галактики бяха толкова изместени, защото се отдалечаваха толкова бързо от нас, никога нямаше да заключим, че обект е на повече от 13,8 милиарда светлинни години, тъй като Вселената е само на 13,8 милиарда години (след Големия взрив). Но ние рутинно намираме галактики, които са на 20 или дори 30 милиарда светлинни години, с най-далечната светлина от всички, от Космическия микровълнов фон, идващи до нас на 46 милиарда светлинни години.

Важно е да разгледаме всички възможности, които са там, тъй като трябва да гарантираме, че не се заблуждаваме, като правим вида на заключението, което искаме да направим. Вместо това трябва да създадем наблюдателни тестове, които могат да различават алтернативните обяснения на даден феномен. В случай на червено изместване на далечни галактики всички алтернативни обяснения отпаднаха. Разширяващата се Вселена, колкото и интуитивно да изглежда, е единствената, която пасва на пълния набор от данни.

Изпратете вашите въпроси Попитайте Итън на startwithabang в gmail dot com!

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“.