Z bardzo odległego widoku Wszechświata widać galaktyki oddalające się od nas z ekstremalnymi prędkościami. Na tych odległościach galaktyki wydają się liczniejsze, mniejsze, mniej rozwinięte i oddalają się przy wielkich przesunięciach ku czerwieni w porównaniu do pobliskich. Źródło zdjęcia: NASA, ESA, R. Windhorst i H. Yan.

5 pytań, które były zbyt zawstydzone, aby zadawać pytania o rozszerzającym się Wszechświecie

Od tego, co się rozwija do tego, czy rzeczy poruszają się szybciej niż światło, usuwa to niektóre z naszych największych nieporozumień.

„Im wyraźniej możemy skupić naszą uwagę na cudach i realiach wszechświata wokół nas, tym mniej smaku będziemy mieli do zniszczenia”. -Rachel Carson

Kiedy patrzymy na odległy Wszechświat, nadal widzimy galaktyki wszędzie, we wszystkich kierunkach, przez miliony, a nawet miliardy lat świetlnych. Przy szacowanych dwóch bilionach galaktyk potencjalnie możliwych do zaobserwowania dla ludzkości, suma tego, co tam jest, jest większa i bardziej spektakularna, niż większość z nas może sobie wyobrazić. Jednym z najbardziej zagadkowych faktów jest to, że ze wszystkich galaktyk, które kiedykolwiek obserwowaliśmy, wszystkie one przestrzegają (średnio) tej samej zasady: im dalej są od nas, tym szybciej wydają się oddalać od nas. Odkrycie to, dokonane przez Edwina Hubble'a i jego współpracowników w latach dwudziestych, doprowadziło nas do obrazu rozszerzającego się Wszechświata. Ale co to znaczy, że Wszechświat się rozszerza? Nauka wie, a teraz ty też!

Im dalej patrzymy, tym bardziej cofamy się w czasie do mniej rozwiniętego Wszechświata, który widzimy. Ale tylko wtedy, gdy obowiązuje ogólna teoria względności i rządzi rozszerzającym się Wszechświatem. Źródło zdjęcia: użytkownik Wikipedii Pablo Carlos Budassi.

1.) W co rozszerza się Wszechświat? To jedno z tych pytań, które brzmi tak rozsądnie, ponieważ wszystko, co się rozszerza, jest zrobione z materii i istnieje w przestrzeni i czasie Wszechświata. Ale sam Wszechświat jest po prostu przestrzenią i czasem i zawiera w sobie całą materię i energię. Kiedy mówimy „Wszechświat się rozszerza”, mamy na myśli, że sama przestrzeń się rozszerza, co powoduje, że widzimy poszczególne galaktyki i gromady galaktyk oddalające się od siebie. Najlepszą wizualizacją, jaką kiedykolwiek widziałem, jest wyobrażenie kulki ciasta z rodzynkami, pieczonej w piekarniku.

Model „chleba rodzynkowego” rozszerzającego się Wszechświata, w którym odległości względne rosną wraz ze wzrostem przestrzeni (ciasta). Źródło zdjęcia: NASA / WMAP Science Team.

Ciasto jest tkaniną kosmiczną, rodzynki są związanymi strukturami (jak galaktyki lub grupy / gromady galaktyk), a z punktu widzenia każdej rodzynki wszystkie inne rodzynki oddalają się od niej, wraz z bardziej odległymi rodzynkami odchodząc szybciej. Tylko w przypadku Wszechświata nie ma piekarnika i nie ma powietrza na zewnątrz ciasta; jest tylko ciasto (przestrzeń) i rodzynki (materia).

Nie chodzi tylko o to, że galaktyki oddalają się od nas, co powoduje przesunięcie ku czerwieni, ale raczej, że przestrzeń między nami a galaktyką przesuwa światło podczas podróży z tego odległego punktu do naszych oczu. Zdjęcie: Larry McNish z RASC Calgary Center.

2.) Skąd wiemy, że to przestrzeń kosmiczna się rozszerza, a nie tylko galaktyki poruszające się z różnymi prędkościami? Jeśli widzisz obiekty oddalające się od ciebie we wszystkich kierunkach, może to wynikać z rozszerzania się przestrzeni między tobą a tymi obiektami; to jedna możliwość. Ale wydaje się również rozsądne, że możesz znajdować się w pobliżu środka wybuchu, a wiele obiektów jest dziś nieco dalej i porusza się szybciej, ponieważ otrzymali więcej energii w wybuchu. Gdyby to drugie było prawdą, wyróżniałyby się dwa dowody:

  1. Będzie mniej galaktyk na dużych odległościach i dużych prędkościach, ponieważ z biegiem czasu będą one łatwiej rozprzestrzeniać się w przestrzeni kosmicznej.
  2. Relacja przesunięcia ku czerwieni / odległości byłaby bardzo szczególna w przypadku dużych odległości, które różniłyby się od przypadku, w którym rozszerzała się struktura przestrzeni.
Różnice między wyjaśnieniem opartym tylko na ruchu dla przesunięcia ku czerwieni / odległości (linia przerywana) a ogólnymi przewidywaniami względności (bryłowymi) dla odległości w rozszerzającym się Wszechświecie. Ostatecznie tylko prognozy GR pasują do tego, co obserwujemy. Źródło zdjęcia: użytkownik Wikimedia Commons Redshiftimprove.

Kiedy patrzymy na duże odległości, widzimy, że w rzeczywistości odległe Wszechświat ma większą gęstość galaktyk niż w pobliżu. Jest to spójne z obrazem, w którym przestrzeń się powiększa, ponieważ patrzenie w dal jest tożsame z patrzeniem w przeszłość, w której nastąpiło mniej ekspansji. Odkrywamy również, że odległe galaktyki mają przesunięcie ku czerwieni i odległość zgodne z rozszerzającą się przestrzenią kosmiczną, a bardzo nie z galaktykami po prostu szybko oddalającymi się od nas. Jest to pytanie, na które nauka może odpowiedzieć na dwa bardzo różne sposoby i obie odpowiedzi wspierają rozszerzający się wszechświat.

Wykres pozornej szybkości ekspansji (oś y) w funkcji odległości (oś x) jest zgodny z Wszechświatem, który ekspandował szybciej w przeszłości, ale nadal się rozwija. Jest to nowoczesna wersja, sięgająca tysięcy razy dalej niż oryginalne dzieło Hubble'a. Zwróć uwagę na fakt, że punkty nie tworzą linii prostej, co wskazuje na zmianę szybkości ekspansji w czasie. Źródło zdjęcia: Ned Wright, na podstawie najnowszych danych Betoule i in. (2014).

3.) Czy Wszechświat zawsze rozwijał się w tym samym tempie? Nazywamy to stałą Hubble'a, ale jest ona stała wszędzie w kosmosie, a nie co jakiś czas. Wszechświat w tym momencie rozszerza się wolniej niż kiedykolwiek wcześniej. Kiedy mówimy o szybkości ekspansji, jest to prędkość na jednostkę odległości: około 70 km / s / Mpc dzisiaj. („Mpc” to megaparsek, czyli około 3 260 000 lat świetlnych). Jednak szybkość ekspansji zależy od gęstości wszystkich różnych rzeczy we Wszechświecie, w tym materii i promieniowania. W miarę rozszerzania się Wszechświata materia i promieniowanie w nim stają się coraz mniej gęste, a wraz ze spadkiem gęstości materii i promieniowania maleje szybkość ekspansji. Wszechświat rozwijał się szybciej w przeszłości i zwalnia od czasu gorącego Wielkiego Wybuchu. Stała Hubble'a jest błędna; należy go nazwać parametrem Hubble'a.

Dalekie losy Wszechświata oferują wiele możliwości, ale jeśli ciemna energia jest naprawdę stała, jak wskazują dane, nadal będzie podążać czerwoną krzywą. Źródło zdjęcia: NASA / GSFC.

4.) Czy Wszechświat rozszerzy się na zawsze, czy kiedyś się zatrzyma, a nawet ponownie zapadnie? Przez pokolenia było to jedno ze świętych pytań Graala o kosmologię i astrofizykę, na które można było odpowiedzieć jedynie poprzez określenie, jak szybko Wszechświat się rozszerza i jakie są wszystkie rodzaje (i ilości) energii w nim obecne. Teraz z powodzeniem zmierzyliśmy ilość normalnej materii, promieniowania, neutrin, ciemnej materii i ciemnej energii, a także szybkość ekspansji Wszechświata. Opierając się na prawach fizyki i tym, co wydarzyło się w przeszłości, wygląda na to, że Wszechświat będzie się ciągle rozszerzać. Chociaż nie jest to 100% pewności; jeśli coś takiego jak ciemna energia będzie zachowywać się inaczej w przyszłości niż w przeszłości i teraźniejszości, wszystkie nasze wnioski podlegają rewizji.

5.) Czy galaktyki oddalają się szybciej niż światło i czy nie jest to zabronione? Z naszego punktu widzenia przestrzeń między nami a dowolnym odległym punktem się powiększa. Im dalej coś jest, tym szybciej wydaje się ono oddalać od nas. Nawet jeśli szybkość ekspansji jest niewielka, obiekt wystarczająco daleko w końcu przekroczy próg dowolnej skończonej prędkości, ponieważ szybkość ekspansji (prędkość na odległość) pomnożona przez wystarczająco dużą odległość da ci prędkość tak szybką, jak ty chcieć. Ale w Ogólnej teorii względności jest to w porządku! Prawo, że nic nie może podróżować szybciej niż prędkość światła, odnosi się tylko do ruchu obiektu w przestrzeni, a nie do rozszerzania się samej przestrzeni. W rzeczywistości same galaktyki poruszają się tylko z prędkościami setkami lub tysiącami km / s, znacznie niższymi niż ograniczenie prędkości 300 000 km / s określone przez prędkość światła. Ekspansja Wszechświata powoduje tę recesję i przesunięcie ku czerwieni, a nie prawdziwy ruch galaktyczny.

W obserwowalnym Wszechświecie (żółte kółko) znajduje się około 2 trylionów galaktyk. Galaktyki więcej niż około jednej trzeciej drogi do granicy tego, co możemy obserwować, nigdy nie zostaną osiągnięte z powodu ekspansji Wszechświata, pozostawiając tylko 3% objętości Wszechświata otwarte na eksplorację człowieka. Źródło zdjęcia: użytkownicy Wikimedia Commons Azcolvin 429 i Frédéric MICHEL / E. Siegel.

Rozszerzanie się Wszechświata jest konieczną konsekwencją wypełnienia czasoprzestrzeni materią i energią, która jest zgodna z prawami ogólnej teorii względności. Dopóki istnieje materia, istnieje przyciąganie grawitacyjne, więc albo grawitacja wygrywa i wszystko się zapada, albo grawitacja traci, a ekspansja wygrywa. Ekspansja nie ma centrum ani nie ma czegoś poza przestrzenią, w którą Wszechświat się rozszerza; sama materia Wszechświata dokonuje ekspansji, wszędzie i na zawsze. Co najgorsze, nawet gdybyśmy dzisiaj opuścili Ziemię z prędkością światła, tylko 3% galaktyk we obserwowalnym Wszechświecie będzie kiedykolwiek osiągalnych; 97% z nich jest już poza naszym zasięgiem. Wszechświat może być skomplikowanym miejscem, ale przynajmniej znasz odpowiedzi na pięć najczęściej błędnie rozumianych pytań!

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.