Μια εξαιρετικά μακρινή άποψη του Σύμπαντος δείχνει τους γαλαξίες να απομακρύνονται από εμάς με ακραίες ταχύτητες. Σε αυτές τις αποστάσεις, οι γαλαξίες εμφανίζονται πιο πολυάριθμοι, μικρότεροι, λιγότερο εξελισσόμενοι και υποχωρούν σε μεγάλες κοκκινίλες σε σχέση με αυτές που βρίσκονται κοντά. Πιστωτική εικόνα: NASA, ESA, R. Windhorst και H. Yan.

5 ερωτήσεις που ήσασταν πολύ ντροπιασμένοι για να ρωτήσετε για το διευρυνόμενο Σύμπαν

Από αυτό που επεκτείνεται σε εάν τα πράγματα κινούνται γρηγορότερα από το φως, αυτό καθαρίζει μερικές από τις μεγαλύτερες παρανοήσεις μας.

«Όσο πιο ξεκάθαρα μπορούμε να εστιάσουμε την προσοχή μας στα θαύματα και τις πραγματικότητες του σύμπαντος για εμάς, τόσο λιγότερη γεύση θα έχουμε για καταστροφή». - Ρέιτσελ Κάρσον

Όταν κοιτάζουμε το μακρινό Σύμπαν, συνεχίζουμε να βλέπουμε γαλαξίες παντού, προς όλες τις κατευθύνσεις, για εκατομμύρια και ακόμη και δισεκατομμύρια έτη φωτός. Με περίπου δύο τρισεκατομμύρια γαλαξίες που είναι δυνητικά παρατηρήσιμοι στην ανθρωπότητα, το συνολικό άθροισμα όσων είναι εκεί έξω είναι μεγαλύτερο και πιο θεαματικό από ό, τι οι περισσότεροι από εμάς ελπίζουμε να φανταστούμε. Ένα από τα πιο αινιγματικά γεγονότα είναι ότι από όλους τους γαλαξίες που έχουμε παρατηρήσει ποτέ, όλοι τηρούν (κατά μέσο όρο) τον ίδιο κανόνα: όσο πιο μακριά είναι από εμάς, τόσο πιο γρήγορα φαίνεται να απομακρύνονται από εμάς. Αυτή η ανακάλυψη, που έγινε από τον Edwin Hubble και τους συνεργάτες του τη δεκαετία του 1920, μας οδήγησε στην εικόνα του επεκτεινόμενου Σύμπαντος. Αλλά τι σημαίνει ότι το Σύμπαν επεκτείνεται; Η επιστήμη γνωρίζει και τώρα θα το κάνετε και εσείς!

Όσο πιο μακριά κοιτάμε, τόσο πιο πίσω στο παρελθόν σε ένα λιγότερο εξελιγμένο Σύμπαν που βλέπουμε. Αλλά μόνο εάν η Γενική Σχετικότητα ισχύει και διέπει ένα επεκτεινόμενο Σύμπαν. Πιστωτική εικόνα: Χρήστης της Wikipedia Pablo Carlos Budassi.

1.) Σε τι επεκτείνεται το Σύμπαν; Αυτό είναι ένα από αυτά τα ερωτήματα που ακούγονται τόσο λογικά, επειδή οτιδήποτε άλλο επεκτείνεται είναι κατασκευασμένο από ύλη και υπάρχει εντός του χώρου και του χρόνου του Σύμπαντος. Αλλά το ίδιο το Σύμπαν είναι απλώς χώρος και χρόνος, και περιέχει όλη την ύλη και την ενέργεια που υπάρχει μέσα σε αυτό. Όταν λέμε «το Σύμπαν επεκτείνεται», αυτό που εννοούμε είναι ότι το ίδιο το διάστημα είναι αυτό που επεκτείνεται, το οποίο μας κάνει να βλέπουμε τους ατομικούς γαλαξίες και τα σμήνη γαλαξιών να κινούνται ο ένας από τον άλλο. Η καλύτερη απεικόνιση που έχω δει ποτέ είναι να φανταστώ μια μπάλα ζύμης με σταφίδες σε αυτήν, να ψηθεί σε φούρνο.

Το μοντέλο «ψωμί σταφίδας» του αναπτυσσόμενου Σύμπαντος, όπου οι σχετικές αποστάσεις αυξάνονται καθώς ο χώρος (ζύμη) επεκτείνεται. Πιστωτική εικόνα: NASA / WMAP Science Team.

Η ζύμη είναι το ύφασμα του χώρου, οι σταφίδες είναι οι δεσμευμένες δομές (όπως γαλαξίες ή ομάδες / συστάδες γαλαξιών) και από την άποψη οποιασδήποτε σταφίδας, όλες οι άλλες σταφίδες απομακρύνονται από αυτό, με τις πιο απομακρυσμένες σταφίδες απομακρύνεται πιο γρήγορα. Μόνο, στην περίπτωση του Σύμπαντος, δεν υπάρχει φούρνος και δεν υπάρχει αέρας έξω από τη ζύμη. υπάρχει μόνο ζύμη (χώρος) και σταφίδες (ύλη).

Δεν είναι απλώς ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς που προκαλούν μια κόκκινη μετατόπιση, αλλά μάλλον ότι ο χώρος μεταξύ μας και του γαλαξία μετατοπίζει το φως στο ταξίδι του από αυτό το μακρινό σημείο στα μάτια μας. Πιστωτική εικόνα: Larry McNish του RASC Calgary Center.

2.) Πώς ξέρουμε ότι είναι το ύφασμα του χώρου που επεκτείνεται και όχι μόνο οι γαλαξίες που κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες; Εάν δείτε αντικείμενα να απομακρύνονται από εσάς προς όλες τις κατευθύνσεις, αυτό μπορεί να οφείλεται στο ότι ο χώρος μεταξύ σας και αυτών των αντικειμένων επεκτείνεται. αυτή είναι μια πιθανότητα. Αλλά φαίνεται επίσης λογικό ότι θα μπορούσατε να είστε κοντά στο κέντρο μιας έκρηξης και πολλά αντικείμενα βρίσκονται λίγο πιο μακριά και κινούνται πιο γρήγορα σήμερα επειδή έλαβαν περισσότερη ενέργεια στην έκρηξη. Εάν αυτό το τελευταίο πράγμα ήταν αλήθεια, θα υπήρχαν δύο αποδεικτικά στοιχεία που θα ξεχώριζαν:

  1. Θα υπήρχαν λιγότεροι γαλαξίες σε μεγάλες αποστάσεις και υψηλές ταχύτητες, καθώς θα απλώνονταν στο διάστημα πιο εύκολα όσο περνούσε ο χρόνος.
  2. Η σχέση μετατόπισης / απόστασης θα υπακούει σε μια πολύ συγκεκριμένη μορφή σε μεγάλες αποστάσεις που θα ήταν διαφορετική από την περίπτωση που επεκτάθηκε ο ιστός του χώρου.
Οι διαφορές μεταξύ μιας εξήγησης που βασίζεται μόνο σε κίνηση για την κόκκινη μετατόπιση / αποστάσεις (διακεκομμένη γραμμή) και τις γενικές σχετικές προβλέψεις (στερεές) για αποστάσεις στο αναπτυσσόμενο Σύμπαν. Σίγουρα, μόνο οι προβλέψεις της GR ταιριάζουν με αυτά που παρατηρούμε. Πιστοποίηση εικόνας: Redshiftimprove χρήστης του Wikimedia Commons.

Όταν κοιτάζουμε σε μεγάλες αποστάσεις, διαπιστώνουμε ότι στην πραγματικότητα υπάρχει μεγαλύτερη πυκνότητα γαλαξιών στο μακρινό Σύμπαν από ότι βρίσκονται κοντά. Αυτό συμβαδίζει με μια εικόνα όπου ο χώρος επεκτείνεται, αφού το να κοιτάς μακριά είναι το ίδιο με το παρελθόν, όπου έχει σημειωθεί λιγότερη επέκταση. Διαπιστώνουμε επίσης ότι οι απομακρυσμένοι γαλαξίες έχουν μια κόκκινη μετατόπιση και απόσταση σύμφωνα με το ύφασμα του διαστελλόμενου χώρου και σε μεγάλο βαθμό όχι με τους γαλαξίες που απλώς απομακρύνονται γρήγορα από εμάς. Αυτό είναι ένα ερώτημα που η επιστήμη μπορεί να απαντήσει με δύο πολύ διαφορετικούς τρόπους και και οι δύο απαντήσεις υποστηρίζουν ένα διευρυνόμενο Σύμπαν.

Ένα διάγραμμα του φαινομένου ρυθμού επέκτασης (άξονας y) έναντι της απόστασης (άξονας x) είναι σύμφωνο με ένα Σύμπαν που επεκτάθηκε ταχύτερα στο παρελθόν, αλλά εξακολουθεί να επεκτείνεται σήμερα. Αυτή είναι μια σύγχρονη έκδοση, που εκτείνεται χιλιάδες φορές πιο μακριά από την αρχική δουλειά του Χαμπλ. Σημειώστε το γεγονός ότι τα σημεία δεν σχηματίζουν ευθεία γραμμή, υποδεικνύοντας την αλλαγή του ρυθμού επέκτασης με την πάροδο του χρόνου. Πιστωτική εικόνα: Ned Wright, με βάση τα τελευταία δεδομένα από τους Betoule et al. (2014).

3.) Το Σύμπαν επεκτάθηκε πάντα με τον ίδιο ρυθμό; Το ονομάζουμε σταθερά Hubble, αλλά είναι μόνο σταθερά παντού στο διάστημα, όχι κάθε «πότε» στο χρόνο. Το Σύμπαν, αυτή τη στιγμή, επεκτείνεται με βραδύτερο ρυθμό από ό, τι στο παρελθόν. Όταν μιλάμε για το ρυθμό επέκτασης, είναι μια ταχύτητα ανά μονάδα-απόσταση: περίπου 70 km / s / Mpc σήμερα. (Το "Mpc" είναι megaparsec, ή περίπου 3.260.000 έτη φωτός.) Αλλά ο ρυθμός επέκτασης εξαρτάται από τις πυκνότητες όλων των διαφορετικών πραγμάτων στο Σύμπαν, συμπεριλαμβανομένης της ύλης και της ακτινοβολίας. Καθώς το Σύμπαν επεκτείνεται, η ύλη και η ακτινοβολία μέσα σε αυτό γίνονται λιγότερο πυκνά, και καθώς η πυκνότητα ύλης και ακτινοβολίας μειώνεται, έτσι και ο ρυθμός επέκτασης. Το Σύμπαν επεκτάθηκε γρηγορότερα στο παρελθόν και επιβραδύνθηκε από το καυτό Big Bang. Η σταθερά Hubble είναι εσφαλμένη. Θα πρέπει να ονομάζεται παράμετρος Hubble.

Οι μακρινές μοίρες του Σύμπαντος προσφέρουν πολλές δυνατότητες, αλλά εάν η σκοτεινή ενέργεια είναι πραγματικά σταθερή, όπως δείχνουν τα δεδομένα, θα συνεχίσει να ακολουθεί την κόκκινη καμπύλη. Πιστωτική εικόνα: NASA / GSFC.

4.) Το Σύμπαν θα επεκταθεί για πάντα, ή θα σταματήσει κάποια μέρα, ή ακόμη και να υποχωρήσει; Για γενιές, αυτό ήταν ένα από τα ιερά ερωτήματα της κοσμολογίας και της αστροφυσικής, και θα μπορούσε να απαντηθεί μόνο καθορίζοντας πόσο γρήγορα επεκτείνεται το Σύμπαν και ποιοι ήταν όλοι οι διαφορετικοί τύποι (και ποσότητες) ενέργειας μέσα σε αυτό. Τώρα μετρήσαμε με επιτυχία πόσο φυσιολογική ύλη, ακτινοβολία, νετρίνα, σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια υπάρχει, καθώς και τον ρυθμό επέκτασης του Σύμπαντος. Με βάση τους νόμους της φυσικής και ό, τι συνέβη στο παρελθόν, φαίνεται ότι το Σύμπαν θα συνεχίσει να επεκτείνεται για πάντα. Αν και αυτό δεν είναι 100% βεβαιότητα. αν κάτι σαν τη σκοτεινή ενέργεια συμπεριφέρεται διαφορετικά στο μέλλον από το πώς συμπεριφέρεται στο παρελθόν και το παρόν, όλα τα συμπεράσματά μας υπόκεινται σε αναθεώρηση.

5.) Υπάρχουν γαλαξίες που απομακρύνονται γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός και δεν απαγορεύεται αυτό; Από την άποψή μας, ο χώρος μεταξύ μας και κάθε μακρινό σημείο επεκτείνεται. Όσο πιο μακριά είναι κάτι, τόσο πιο γρήγορα φαίνεται να υποχωρεί από εμάς. Ακόμα κι αν ο ρυθμός επέκτασης ήταν μικροσκοπικός, ένα αντικείμενο αρκετά μακριά θα περάσει τελικά αυτό το κατώφλι οποιασδήποτε πεπερασμένης ταχύτητας, καθώς ένας ρυθμός επέκτασης (ταχύτητα ανά απόσταση) πολλαπλασιασμένος με μια αρκετά μεγάλη απόσταση θα σας δώσει μια ταχύτητα όσο πιο γρήγορα μπορείτε θέλω. Αλλά αυτό είναι εντάξει στη Γενική Σχετικότητα! Ο νόμος ότι τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός ισχύει μόνο για την κίνηση ενός αντικειμένου μέσω του χώρου και όχι για την επέκταση του ίδιου του χώρου. Στην πραγματικότητα, οι ίδιοι οι γαλαξίες κινούνται μόνο σε ταχύτητες που είναι εκατοντάδες ή χιλιάδες km / s, πολύ χαμηλότερες από το όριο ταχύτητας των 300.000 km / s που ορίζεται από την ταχύτητα του φωτός. Είναι η επέκταση του Σύμπαντος που προκαλεί αυτήν την ύφεση και την κόκκινη μετατόπιση, όχι μια πραγματική γαλαξιακή κίνηση.

Μέσα στο παρατηρήσιμο Σύμπαν (κίτρινος κύκλος), υπάρχουν περίπου 2 τρισεκατομμύρια γαλαξίες. Οι γαλαξίες περισσότερο από το ένα τρίτο περίπου του δρόμου προς αυτό που μπορούμε να παρατηρήσουμε δεν μπορούν ποτέ να επιτευχθούν λόγω της επέκτασης του Σύμπαντος, αφήνοντας μόνο το 3% του όγκου του Σύμπαντος ανοιχτό στην ανθρώπινη εξερεύνηση. Πιστωτική εικόνα: Χρήστες του Wikimedia Commons Azcolvin 429 και Frédéric MICHEL / E. Siegel.

Το σύμπαν που επεκτείνεται είναι απαραίτητη συνέπεια του να γεμίσει η ύλη και η ενέργεια σε ένα χωροχρόνο που υπακούει στους νόμους της Γενικής Σχετικότητας. Όσο υπάρχει ύλη, υπάρχει βαρυτική έλξη, οπότε είτε η βαρύτητα κερδίζει και όλα ξαναστρέφονται, είτε η βαρύτητα χάνει και η επέκταση κερδίζει. Δεν υπάρχει κέντρο στην επέκταση, ούτε υπάρχει κάτι έξω από το διάστημα στο οποίο επεκτείνεται το Σύμπαν. το ύφασμα του ίδιου του Σύμπαντος είναι αυτό που κάνει την επέκταση, παντού και για όλη την ώρα. Το πιο ενοχλητικό, ακόμα κι αν αφήσαμε τη Γη με την ταχύτητα του φωτός σήμερα, μόνο το 3% των γαλαξιών στο παρατηρήσιμο Σύμπαν θα είναι ποτέ προσβάσιμο. Το 97% από αυτά είναι ήδη πέρα ​​από την αντίληψή μας. Το Σύμπαν μπορεί να είναι ένα περίπλοκο μέρος, αλλά τουλάχιστον τώρα γνωρίζετε τις απαντήσεις σε πέντε από τις πιο συχνά παρεξηγημένες ερωτήσεις του!

Το Starts With A Bang είναι τώρα στο Forbes και αναδημοσιεύεται στο Medium χάρη στους υποστηρικτές του Patreon. Ο Ethan έχει συγγράψει δύο βιβλία, το Beyond The Galaxy και το Treknology: The Science of Star Trek από το Tricorder στο Warp Drive.