Ультра-далекий взгляд на Вселенную показывает галактики, удаляющиеся от нас на предельных скоростях. На этих расстояниях галактики кажутся более многочисленными, меньшими, менее развитыми и отступают при больших красных смещениях по сравнению с соседними. Изображение предоставлено NASA, ESA, R. Windhorst и H. Yan.

5 вопросов, которые вы были слишком смущены, чтобы задать вопрос о расширяющейся Вселенной

От того, что распространяется до того, движутся ли вещи быстрее света, это проясняет некоторые из наших самых больших заблуждений.

«Чем яснее мы сможем сфокусировать наше внимание на чудесах и реалиях вселенной вокруг нас, тем меньше у нас будет вкуса к разрушению». -Рэйчел Карсон

Когда мы смотрим на далекую Вселенную, мы продолжаем видеть галактики повсюду, во всех направлениях, в течение миллионов и даже миллиардов световых лет. Приблизительно с двумя триллионами галактик, которые потенциально могут наблюдаться человечеством, общая сумма того, что там есть, является более грандиозной и более впечатляющей, чем может представить большинство из нас. Одним из самых удивительных фактов является то, что из всех галактик, которые мы когда-либо наблюдали, все они подчиняются (в среднем) одному и тому же правилу: чем дальше они от нас, тем быстрее они, кажется, удаляются от нас. Это открытие, сделанное Эдвином Хабблом и его сотрудниками еще в 1920-х годах, привело нас к картине расширяющейся Вселенной. Но что это значит, что Вселенная расширяется? Наука знает, и теперь вы тоже!

Чем дальше мы смотрим, тем дальше назад во времени к менее развитой Вселенной, которую мы видим. Но только если Общая Относительность применяется и управляет расширяющейся Вселенной. Изображение предоставлено пользователем Википедии Пабло Карлосом Будасси.

1.) Во что расширяется Вселенная? Это один из тех вопросов, который звучит настолько разумно, потому что все остальное, что расширяется, сделано из материи и существует в пространстве и времени Вселенной. Но сама Вселенная просто есть пространство и время и содержит в себе всю материю и энергию. Когда мы говорим «Вселенная расширяется», мы имеем в виду, что пространство - это то, что расширяется, что заставляет нас видеть, как отдельные галактики и скопления галактик отходят друг от друга. Лучшая визуализация, которую я когда-либо видел, это изобразить шарик теста с изюмом, запеченный в духовке.

Модель «изюмного хлеба» расширяющейся Вселенной, где относительные расстояния увеличиваются по мере увеличения пространства (теста). Изображение предоставлено NASA / WMAP Science Team.

Тесто - это ткань пространства, изюм - это связанные структуры (например, галактики или группы / скопления галактик), и с точки зрения любого изюма все остальные изюмы отходят от него с более отдаленным изюмом. уходить быстрее. Только в случае с Вселенной нет печи и нет воздуха вне теста; есть только тесто (космос) и изюм (материя).

Не просто то, что галактики удаляются от нас, вызывает красное смещение, а скорее то, что пространство между нами и галактикой смещает свет на пути от этой далекой точки к нашим глазам. Фото предоставлено: Ларри Макниш из RASC Calgary Center.

2.) Откуда мы знаем, что расширяется ткань пространства, а не только галактики, движущиеся с разными скоростями? Если вы видите объекты, удаляющиеся от вас во всех направлениях, это может быть потому, что пространство между вами и этими объектами расширяется; это одна возможность. Но также кажется разумным, что вы могли бы быть рядом с центром взрыва, и многие объекты сегодня находятся еще дальше и движутся быстрее, потому что они получили больше энергии при взрыве. Если бы эта последняя вещь была правдой, было бы два доказательства, которые выделялись бы:

  1. На больших расстояниях и высоких скоростях будет меньше галактик, поскольку со временем они будут легче распространяться в пространстве.
  2. Соотношение красное смещение / расстояние будет подчиняться очень специфической форме на больших расстояниях, которая будет отличаться от случая, когда расширяется ткань пространства.
Различия между основанным только на движении объяснением красного смещения / расстояния (пунктирная линия) и общей теорией относительности (сплошной) для расстояний в расширяющейся Вселенной. Определенно, только предсказания GR соответствуют тому, что мы наблюдаем. Изображение предоставлено пользователем Wikimedia Commons Redshiftimprove.

Когда мы смотрим на большие расстояния, мы обнаруживаем, что на самом деле в далекой Вселенной плотность галактик больше, чем рядом. Это согласуется с картиной, где пространство расширяется, поскольку смотреть вдаль - это то же самое, что смотреть в прошлое, где произошло меньшее расширение. Мы также обнаруживаем, что далекие галактики имеют красное смещение и расстояние, согласующиеся с тканью расширяющегося пространства, и в значительной степени не с галактиками, просто быстро удаляющимися от нас. На этот вопрос наука может ответить двумя совершенно разными способами, и оба ответа поддерживают расширяющуюся Вселенную.

График видимой скорости расширения (ось Y) в зависимости от расстояния (ось X) согласуется со Вселенной, которая расширялась быстрее в прошлом, но все еще расширяется сегодня. Это современная версия, простирающаяся в тысячи раз дальше, чем оригинальная работа Хаббла. Обратите внимание на тот факт, что точки не образуют прямую линию, что указывает на изменение скорости расширения с течением времени. Изображение предоставлено Ned Wright, основываясь на последних данных Betoule et al. (2014).

3.) Вселенная всегда расширялась с одинаковой скоростью? Мы называем это постоянной Хаббла, но это только постоянная везде в пространстве, а не каждое «когда» во времени. В этот момент времени Вселенная расширяется медленнее, чем когда-либо в прошлом. Когда мы говорим о скорости расширения, это скорость на единицу расстояния: около 70 км / с / Мпк сегодня. («Мпк» - это мегапарсек, или около 3 260 000 световых лет.) Но скорость расширения зависит от плотности всех различных вещей во Вселенной, включая вещество и радиацию. По мере расширения Вселенной материя и излучение внутри нее становятся менее плотными, а с уменьшением плотности вещества и излучения скорость расширения также уменьшается. Вселенная расширялась быстрее в прошлом и замедлялась со времени горячего Большого взрыва. Константа Хаббла является неправильным; это следует назвать параметром Хаббла.

Дальние судьбы Вселенной предлагают множество возможностей, но если темная энергия действительно постоянна, как показывают данные, она будет продолжать следовать красной кривой. Изображение предоставлено NASA / GSFC.

4.) Будет ли Вселенная расширяться вечно, или когда-нибудь она прекратится или даже перевернется? В течение нескольких поколений это был один из вопросов космологии и астрофизики, посвященных святому Граалю, и на него можно было ответить только путем определения того, насколько быстро расширяется Вселенная и каковы все различные типы (и количества) энергии, присутствующие в ней. Теперь мы успешно измерили, сколько присутствует нормальной материи, радиации, нейтрино, темной материи и темной энергии, а также скорость расширения Вселенной. Исходя из законов физики и того, что произошло в прошлом, очень похоже, что Вселенная будет продолжать расширяться вечно. Хотя это не 100% уверенность; если что-то вроде темной энергии ведет себя в будущем иначе, чем в прошлом и настоящем, все наши выводы подлежат пересмотру.

5.) Есть ли галактики, движущиеся быстрее скорости света, и не запрещено ли это? С нашей точки зрения, пространство между нами и любой отдаленной точкой расширяется. Чем дальше что-то, тем быстрее оно, кажется, отступает от нас. Даже если скорость расширения была крошечной, объект, находящийся достаточно далеко, в конечном итоге перешагнет этот порог любой конечной скорости, поскольку скорость расширения (скорость на расстояние), умноженная на достаточно большое расстояние, даст вам скорость, столь же высокую, как вы. хотеть. Но это нормально в общей теории относительности! Закон о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, применяется только к движению объекта в пространстве, а не к расширению самого пространства. В действительности, сами галактики движутся только со скоростями, которые составляют сотни или тысячи км / с, что намного ниже, чем ограничение скорости 300 000 км / с, установленное скоростью света. Это расширение Вселенной, которое вызывает этот спад и красное смещение, а не настоящее галактическое движение.

В наблюдаемой Вселенной (желтый круг) насчитывается около 2 триллионов галактик. Галактики более чем на трети пути к границе того, что мы можем наблюдать, никогда не могут быть достигнуты из-за расширения Вселенной, оставляя только 3% объема Вселенной открытой для исследования человеком. Изображение предоставлено пользователями Wikimedia Commons Azcolvin 429 и Frédéric MICHEL / E. Siegel.

Расширение Вселенной является необходимым следствием того, что материя и энергия заполняют пространство-время, подчиняющееся законам Общей Относительности. Пока есть материя, есть гравитационное притяжение, поэтому либо гравитация побеждает, и все восстанавливается, либо гравитация теряется, и расширение побеждает. Нет центра для расширения и нет чего-то вне пространства, в которое расширяется Вселенная; сама ткань Вселенной - это то, что расширяется, везде и на все времена. Самое удивительное, что даже если мы покинем Землю со скоростью света сегодня, только 3% галактик в наблюдаемой Вселенной когда-либо будут доступны; 97% из них уже вне нашего понимания. Вселенная может быть сложным местом, но, по крайней мере, теперь вы знаете ответы на пять из ее наиболее часто неправильно понимаемых вопросов!

Starts With A Bang теперь на Forbes и переиздан на Medium благодаря нашим сторонникам Patreon. Итан является автором двух книг «За галактикой» и «Трекнология: Наука звездного пути от трикодеров до Варп Драйв».