Analizuodami galaktikų ir kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės stebėjimų rezultatus, astronomai priėjo prie išvados, kad materijos pasiskirstymas Visatoje (tiriamos erdvės sritis viršijo 100 Mpc skersmens) yra vienalytė ir izotropinė, t.y. nepriklauso nuo padėtis ir kryptis erdvėje (žr. Kosmologija) . O tokios erdvės savybės, remiantis reliatyvumo teorija, neišvengiamai reiškia, kad laikui bėgant keičiasi atstumai tarp Visatą užpildančių kūnų, t.y. Visata turi plėstis arba trauktis, o stebėjimai rodo plėtimąsi.
Visatos plėtimasis gerokai skiriasi nuo įprasto materijos plėtimosi, pavyzdžiui, nuo dujų plėtimosi cilindre. Dujos, besiplečiančios, keičia stūmoklio padėtį cilindre, tačiau cilindras lieka nepakitęs. Visatoje vyksta visos erdvės kaip visumos plėtimasis. Todėl klausimas, kuria kryptimi vyksta plėtimasis, Visatoje netenka prasmės. Ši plėtra vyksta labai dideliu mastu. Žvaigždžių sistemose, galaktikų grupėse ir galaktikų superspiečiuose plėtimasis nevyksta. Tokios gravitaciškai surištos sistemos yra izoliuotos nuo bendro Visatos plėtimosi.
Išvadą, kad Visata plečiasi, patvirtina galaktikų spektrų raudonojo poslinkio stebėjimai.
Tegul šviesos signalai siunčiami iš tam tikro erdvės taško dviem momentais ir stebimi kitame erdvės taške.
Dėl Visatos mastelio pasikeitimo, t.y., padidėjus atstumui tarp spinduliavimo ir šviesos stebėjimo taškų, antrasis signalas turi nukeliauti didesnį atstumą nei pirmasis. O kadangi šviesos greitis pastovus, antrasis signalas vėluoja; intervalas tarp signalų stebėjimo taške bus didesnis nei jų išvykimo taške. Kuo didesnis atstumas tarp šaltinio ir stebėtojo, tuo didesnis uždelsimas. Natūralus dažnio standartas yra spinduliuotės dažnis elektromagnetinių perėjimų metu atomuose. Dėl aprašyto Visatos plėtimosi poveikio šis dažnis mažėja. Taigi, stebint kokios nors tolimos galaktikos emisijos spektrą, visos jos linijos turėtų būti raudonai pasislinkusios, lyginant su laboratoriniais spektrais. Šis raudonojo poslinkio reiškinys yra Doplerio efektas (žr. Radialinį greitį), atsirandantis dėl abipusio galaktikų „išsibarstymo“ ir yra stebimas realybėje.
Raudonojo poslinkio dydis matuojamas pasikeitusio spinduliuotės dažnio ir pradinio dažnio santykiu. Kuo didesnis atstumas iki stebimos galaktikos, tuo didesnis dažnio pokytis.
Taigi, išmatavus raudonąjį poslinkį nuo spektrų, paaiškėja, kad galima nustatyti galaktikų greitį v, kuriuo jos tolsta nuo stebėtojo. Šie greičiai yra susiję su atstumais, vadinamais Hablo konstanta.
Tikslus vertės nustatymas yra kupinas didelių sunkumų. Remiantis ilgalaikiais stebėjimais, šiuo metu priimta reikšmė yra .
Ši vertė atitinka galaktikos nuosmukio greičio padidėjimą, lygų maždaug 50–100 km/s kiekvienam atstumo megaparsekui.
Hablo dėsnis leidžia įvertinti atstumus iki galaktikų, esančių didžiuliais atstumais, remiantis jų spektruose išmatuotu linijų raudonuoju poslinkiu.
Galaktikų nuosmukio dėsnis yra kilęs iš Žemės (arba, galima sakyti, iš mūsų Galaktikos) stebėjimų, todėl jis apibūdina galaktikų atstumą nuo Žemės (mūsų galaktikos). Tačiau iš to negalima daryti išvados, kad būtent Žemė (mūsų galaktika) yra Visatos plėtimosi centre. Paprastos geometrinės konstrukcijos įtikina mus, kad Hablo dėsnis galioja stebėtojui, esančiam bet kurioje iš recesijoje dalyvaujančių galaktikų.
Hablo plėtimosi dėsnis rodo, kad materija Visatoje kadaise buvo labai didelio tankio. Laikas, skiriantis mus nuo šios būsenos, sutartinai gali būti vadinamas Visatos amžiumi. Jis nustatomas pagal vertę
Kadangi šviesos greitis yra baigtinis, baigtinis Visatos amžius atitinka baigtinę Visatos sritį, kurią šiuo metu galime stebėti. Be to, tolimiausios stebimos Visatos dalys atitinka ankstyviausius jos evoliucijos momentus. Šiomis akimirkomis Visatoje gali gimti ir sąveikauti įvairios elementarios dalelės. Analizuodama procesus, kurie įvyko dalyvaujant tokioms dalelėms per pirmąją Visatos plėtimosi sekundę, teorinė kosmologija, remdamasi elementariųjų dalelių teorija, randa atsakymus į klausimus, kodėl Visatoje nėra antimedžiagos ir net kodėl Visata plečiasi.
Daugelis teorijos prognozių apie fizinius elementariųjų dalelių procesus yra susijusios su energijos sritimis, kurios yra nepasiekiamos šiuolaikinėmis antžeminėmis laboratorinėmis sąlygomis, pavyzdžiui, greitintuvuose.
Tačiau laikotarpiu iki pirmosios Visatos plėtimosi sekundės tokią energiją turinčios dalelės turėjo egzistuoti. Todėl fizikai į besiplečiančią Visatą žiūri kaip į natūralią elementariųjų dalelių laboratoriją.
Šioje laboratorijoje galima atlikti „minčių eksperimentus“, analizuoti, kaip konkrečios dalelės egzistavimas paveiktų fizikinius procesus Visatoje, kaip tas ar kitas teorinis numatymas pasireikštų astronominiuose stebėjimuose.
Elementariųjų dalelių teorija pasitelkiama siekiant paaiškinti Visatos „paslėptą masę“. Norint paaiškinti, kaip susiformavo galaktikos, kaip jos juda galaktikų spiečius ir daugelį kitų matomos materijos pasiskirstymo ypatybių, reikia daryti prielaidą, kad daugiau nei 80% Visatos masės yra paslėpta nematomos formos pavidalu. silpnai sąveikaujančios dalelės. Šiuo atžvilgiu kosmologijoje plačiai aptariami neutrinai, kurių ramybės masė yra ne nulinė, taip pat naujos hipotetinės dalelės.
Visata nėra statiška. Tai patvirtino astronomo Edvino Hablo tyrimai dar 1929 m., tai yra beveik prieš 90 metų. Šią idėją jam pasiūlė galaktikų judėjimo stebėjimai. Kitas astrofizikų atradimas dvidešimtojo amžiaus pabaigoje buvo spartėjančio Visatos plėtimosi skaičiavimas.
Kaip vadinamas Visatos plėtimasis?
Kai kurie žmonės nustemba išgirdę, kad mokslininkai kalba apie Visatos plėtimąsi. Dauguma žmonių šį pavadinimą sieja su ekonomika ir neigiamais lūkesčiais.
Infliacija yra Visatos plėtimosi procesas iškart po jos atsiradimo ir staigiu pagreičiu. Išvertus iš anglų kalbos, „infliacija“ reiškia „pumpuoti“, „išpūsti“.
Naujomis abejonėmis dėl tamsiosios energijos, kaip Visatos infliacijos teorijos veiksnio, egzistavimo naudojasi plėtimosi teorijos priešininkai.
Tada mokslininkai pasiūlė juodųjų skylių žemėlapį. Pradiniai duomenys skiriasi nuo gautų vėlesniame etape:
- Šešiasdešimt tūkstančių juodųjų skylių, kurių atstumas tarp tolimiausių yra daugiau nei vienuolika milijonų šviesmečių – ketverių metų senumo duomenys.
- Šimtas aštuoniasdešimt tūkstančių galaktikų su juodosiomis skylėmis trylikos milijonų šviesmečių atstumu. Duomenys, gauti mokslininkų, tarp jų ir Rusijos branduolinių fizikų, 2017 m.
Ši informacija, anot astrofizikų, neprieštarauja klasikiniam Visatos modeliui.
Visatos plėtimosi greitis yra iššūkis kosmologams
Išsiplėtimo greitis iš tiesų yra iššūkis kosmologams ir astronomams. Tiesa, kosmologai nebeginčija, kad Visatos plėtimosi greitis neturi pastovaus parametro, neatitikimai persikėlė į kitą plokštumą – kai plėtimasis ėmė spartėti. Duomenys apie klajojimą labai nutolusių I tipo supernovų galaktikų spektre įrodo, kad plėtimasis nėra staigus procesas.
Mokslininkai mano, kad Visata susitraukė pirmuosius penkis milijardus metų.
Pirmosios Didžiojo sprogimo pasekmės pirmiausia išprovokavo galingą išsiplėtimą, o tada prasidėjo suspaudimas. Tačiau tamsioji energija vis tiek turėjo įtakos visatos augimui. Ir su pagreičiu.
Amerikos mokslininkai pradėjo kurti įvairių epochų Visatos dydžio žemėlapį, kad išsiaiškintų, kada prasidėjo pagreitis. Stebėdami supernovų sprogimus, taip pat koncentracijos kryptį senovės galaktikose, kosmologai pastebėjo pagreičio ypatybes.
Kodėl Visata „įsibėgėja“
Iš pradžių buvo suprasta, kad pagreičio reikšmės žemėlapyje nebuvo tiesinės, o virto sinusine banga. Tai buvo vadinama „Visatos banga“.
Visatos banga rodo, kad pagreitis neįvyko pastoviu greičiu: jis arba sulėtėjo, arba pagreitėjo. Ir kelis kartus. Mokslininkai mano, kad per 13,81 mlrd. metų po Didžiojo sprogimo buvo septyni tokie procesai.
Tačiau kosmologai kol kas negali atsakyti į klausimą, nuo ko priklauso pagreitis-lėtėjimas. Prielaidos susiveda į idėją, kad energijos laukas, iš kurio kyla tamsioji energija, yra pavaldus Visatos bangai. Ir, judėdama iš vienos padėties į kitą, Visata arba išplečia savo pagreitį, arba jį sulėtina.
Nepaisant argumentų įtikinamumo, jie vis tiek išlieka teorija. Astrofizikai tikisi, kad Plancko orbitinio teleskopo informacija patvirtins bangų egzistavimą Visatoje.
Kada buvo atrasta tamsioji energija?
Žmonės pirmą kartą apie tai pradėjo kalbėti devintajame dešimtmetyje dėl supernovos sprogimų. Tamsiosios energijos prigimtis nežinoma. Nors Albertas Einšteinas savo reliatyvumo teorijoje nustatė kosminę konstantą.
1916 m., prieš šimtą metų, Visata vis dar buvo laikoma nekintama. Tačiau įsikišo gravitacijos jėga: jei Visata nejudėtų, kosminės masės neišvengiamai atsitrenktų į viena kitą. Einšteinas skelbia gravitaciją dėl kosminės atstumiančios jėgos.
Georgesas Lemaitre'as tai pateisins fizika. Vakuumas turi energijos. Dėl savo vibracijų, sukeliančių dalelių atsiradimą ir tolesnį jų naikinimą, energija įgauna atstumiančią jėgą.
Kai Hablas įrodė Visatos plėtimąsi, Einšteinas tai pavadino nesąmone.
Tamsiosios energijos poveikis
Visata juda pastoviu greičiu. 1998 metais pasauliui buvo pateikti 1 tipo supernovų sprogimų analizės duomenys. Įrodyta, kad Visata auga vis greičiau.
Taip atsitinka dėl nežinomos medžiagos, ji vadinama „tamsiąja energija“. Pasirodo, ji užima beveik 70% Visatos erdvės. Tamsiosios energijos esmė, savybės ir prigimtis nebuvo ištirta, tačiau mokslininkai bando išsiaiškinti, ar ji egzistavo kitose galaktikose.
2016 m. jie apskaičiavo tikslų plėtimosi greitį artimiausiai ateičiai, tačiau atsirado neatitikimas: Visata plečiasi greičiau, nei manė astrofizikai. Tarp mokslininkų įsiplieskė ginčai dėl tamsiosios energijos egzistavimo ir jos įtakos visatos ribų plėtimosi greičiui.
Visatos plėtimasis vyksta be tamsiosios energijos
Mokslininkai 2017 metų pradžioje iškėlė teoriją, kad Visatos plėtimasis nepriklauso nuo tamsiosios energijos. Jie plėtimąsi paaiškina Visatos struktūros pokyčiais.
Budapešto ir Havajų universiteto mokslininkai priėjo prie išvados, kad skaičiavimų ir tikrojo plėtimosi greičio neatitikimas yra susijęs su erdvės savybių pokyčiais. Niekas neatsižvelgė į tai, kas vyksta su Visatos modeliu plėtimosi metu.
Suabejoję tamsiosios energijos egzistavimu, mokslininkai aiškina: didžiausios medžiagos koncentracijos Visatoje turi įtakos jos plėtimuisi. Tokiu atveju likęs turinys paskirstomas tolygiai. Tačiau faktas lieka nepastebėtas.
Norėdami įrodyti savo prielaidų pagrįstumą, mokslininkai pasiūlė mini Visatos modelį. Jie pateikė jį burbuliukų rinkinio pavidalu ir pradėjo skaičiuoti kiekvieno burbulo augimo parametrus savo greičiu, priklausomai nuo jo masės.
Toks Visatos modeliavimas mokslininkams parodė, kad ji gali keistis neatsižvelgiant į energiją. Tačiau jei „sumaišysite“ tamsiąją energiją, modelis nepasikeis, teigia mokslininkai.
Apskritai diskusijos tebevyksta. Tamsiosios energijos šalininkai teigia, kad ji turi įtakos Visatos ribų plėtrai, priešininkai laikosi savo pozicijų, teigdami, kad svarbiausia yra materijos koncentracija.
Visatos plėtimosi greitis dabar
Mokslininkai įsitikinę, kad Visata pradėjo augti po Didžiojo sprogimo. Tada, beveik prieš keturiolika milijardų metų, paaiškėjo, kad Visatos plėtimosi greitis buvo didesnis nei šviesos greitis. Ir toliau auga.
Stepheno Hawkingo ir Leonardo Mlodinow knygoje „Trumpiausia laiko istorija“ pažymima, kad Visatos ribų plėtimosi greitis negali viršyti 10% per milijardą metų.
Norėdami nustatyti Visatos plėtimosi greitį, 2016 metų vasarą Nobelio premijos laureatas Adamas Riessas apskaičiavo atstumą iki pulsuojančių cefeidų galaktikų, esančių arti viena kitos. Šie duomenys leido apskaičiuoti greitį. Paaiškėjo, kad galaktikos, esančios mažiausiai trijų milijonų šviesmečių atstumu, gali tolti beveik 73 km/s greičiu.
Rezultatas nustebino: orbitiniai teleskopai, tas pats „Planck“, kalbėjo apie 69 km/s. Kodėl užfiksuotas toks skirtumas, mokslininkai atsakyti negali: nieko nežino apie tamsiosios materijos kilmę, kuria remiasi Visatos plėtimosi teorija.
Tamsi spinduliuotė
Kitas Visatos „pagreičio“ veiksnys buvo atrastas astronomų naudojant Hablo. Manoma, kad tamsioji spinduliuotė atsirado pačioje Visatos formavimosi pradžioje. Tada jame buvo daugiau energijos, ne materijos.
Tamsioji spinduliuotė „padėjo“ tamsiajai energijai išplėsti Visatos ribas. Neatitikimai nustatant pagreičio greitį atsirado dėl nežinomo šios spinduliuotės pobūdžio, mano mokslininkai.
Būsimas Hablo darbas turėtų padaryti stebėjimus tikslesnius.
Paslaptinga energija gali sunaikinti visatą
Mokslininkai šį scenarijų svarstė jau kelis dešimtmečius, Plancko kosmoso observatorijos duomenys rodo, kad tai toli gražu nėra tik spėlionės. Jie buvo paskelbti 2013 m.
„Plankas“ išmatavo Didžiojo sprogimo „aidą“, kuris pasirodė Visatos amžiuje apie 380 tūkstančių metų, temperatūra buvo 2700 laipsnių. Be to, pasikeitė temperatūra. „Plankas“ taip pat nustatė Visatos „sudėtis“:
- beveik 5% - žvaigždės, kosminės dulkės, kosminės dujos, galaktikos;
- beveik 27% yra tamsiosios medžiagos masė;
- apie 70% yra tamsioji energija.
Fizikas Robertas Caldwellas teigė, kad tamsioji energija turi galią augti. Ir ši energija atskirs erdvėlaikį. Galaktika nutols per artimiausius dvidešimt ar penkiasdešimt milijardų metų, mano mokslininkas. Šis procesas vyks vis plečiantis Visatos riboms. Tai atplėš Paukščių Taką nuo žvaigždės ir jis taip pat suirs.
Išmatuota, kad kosmoso amžius yra apie šešiasdešimt milijonų metų. Saulė taps mirštančia nykštuke žvaigžde, o planetos nuo jos atsiskirs. Tada Žemė sprogs. Per ateinančias trisdešimt minučių erdvė suplėš atomus. Galutinis rezultatas bus erdvės ir laiko struktūros sunaikinimas.
Kur skraido Paukščių Takas?
Jeruzalės astronomai įsitikinę, kad Paukščių Takas pasiekė didžiausią greitį, kuris yra didesnis nei Visatos plėtimosi greitis. Mokslininkai tai aiškina tuo, kad Paukščių Takas trokšta „Didžiojo pritraukėjo“, kuris laikomas didžiausiu. Taip Paukščių Takas palieka kosminę dykumą.
Mokslininkai naudoja skirtingus Visatos plėtimosi greičio matavimo metodus, todėl vieno šio parametro rezultato nėra.
MASKVA, sausio 26 d. – RIA Novosti. Remiantis penkių straipsnių serija, priimta publikuoti žurnale Monthly Notices of the Royal, nepriklausoma mokslininkų grupė patvirtino, kad Visata iš tiesų dabar plečiasi dar greičiau, nei parodė skaičiavimai, pagrįsti Didžiojo sprogimo „aido“ stebėjimais. Astronomijos draugija.
„Dabartinio Visatos plėtimosi greičio neatitikimai ir tai, ką rodo Didžiojo sprogimo stebėjimai, buvo ne tik patvirtinti, bet ir sustiprinti naujais duomenimis apie tai, kaip tolimos galaktikos lenkia šviesą Standartinis kosmologijos modelis, ypač kai kurios kitos tamsiosios energijos formos“, – sakė Fredericas Coubrinas iš École Polytechnique Federale Lozanoje (Šveicarija).
Tamsūs Visatos gimimai
Dar 1929 metais garsus astronomas Edvinas Hablas įrodė, kad mūsų Visata nestovi vietoje, o palaipsniui plečiasi, stebėdamas toli nuo mūsų esančių galaktikų judėjimą. XX amžiaus pabaigoje astrofizikai, stebėdami pirmojo tipo supernovas, atrado, kad jos plečiasi ne pastoviu greičiu, o pagreičiu. To priežastis, kaip šiandien mano mokslininkai, yra tamsioji energija - paslaptinga medžiaga, kuri materiją veikia kaip savotiška „antigravitacija“.
Praėjusių metų birželį Nobelio premijos laureatas Adamas Reissas ir jo kolegos, atradę šį reiškinį, apskaičiavo tikslų Visatos plėtimosi greitį šiandien, naudodami netoliese esančiose galaktikų kintamąsias cefeidų žvaigždes, atstumą iki kurių galima apskaičiuoti itin tiksliai.
Šis patikslinimas davė itin netikėtą rezultatą – paaiškėjo, kad dvi galaktikos, kurias skiria apie 3 milijonų šviesmečių atstumas, išskrenda maždaug 73 kilometrų per sekundę greičiu. Šis skaičius yra pastebimai didesnis už duomenis, gautus naudojant WMAP ir Planck orbitinius teleskopus – 69 kilometrai per sekundę – ir negali būti paaiškintas mūsų turimu supratimu apie tamsiosios energijos prigimtį ir Visatos gimimo mechanizmą.
Riessas ir jo kolegos užsiminė, kad egzistuoja ir trečioji „tamsioji“ medžiaga – „tamsioji spinduliuotė“ (tamsioji spinduliuotė), dėl kurios ji įsibėgėjo greičiau nei teoriškai prognozuota ankstyvosiomis Visatos dienomis. Toks teiginys neliko nepastebėtas ir H0LiCOW bendradarbiavimas, kuriame dalyvauja dešimtys astronomų iš visų planetos žemynų, pradėjo tikrinti šią hipotezę stebėdama kvazarus – aktyvius tolimų galaktikų branduolius.
Kosminių žvakių ir lęšių žaidimas
Kvazarai dėl savo centre esančios milžiniškos juodosios skylės ypatingu būdu sulenkia erdvės-laiko struktūrą, sustiprindami pro aplinką sklindančią šviesą, tarsi milžiniškas objektyvas.
Jei stebėtojams Žemėje du kvazarai pastatomi vienas šalia kito, atsitinka įdomus dalykas – tolimesnio kvazaro šviesa bus padalinta, kai ji praeis pro pirmojo galaktikos branduolio gravitacinį lęšį. Dėl to pamatysime ne du, o penkis kvazarus, iš kurių keturios bus lengvos tolimesnio objekto „kopijos“. Svarbiausia, kad kiekviena kopija atspindės kvazaro „nuotrauką“ skirtingu jo gyvavimo laikotarpiu dėl skirtingo laiko, kurio prireikė jų šviesai ištrūkti iš gravitacinio lęšio.
Šio laiko trukmė, kaip aiškina mokslininkai, priklauso nuo Visatos plėtimosi greičio, todėl jį galima apskaičiuoti stebint daugybę tolimų kvazarų. Tai padarė H0LiCOW dalyviai, ieškodami panašių „dvigubų“ kvazarų ir stebėdami jų „kopijas“.
Iš viso Kubrinas ir jo kolegos rado tris tokias kvazaras „matrioškas“ ir išsamiai jas ištyrė naudodamas Hablo ir Spitzerio orbitinius teleskopus bei daugybę antžeminių teleskopų Havajų salose ir Čilėje. Šie matavimai, pasak mokslininkų, leido išmatuoti Hablo konstantą esant „vidutiniam“ kosmologiniam atstumui su 3,8% paklaidos lygiu, o tai kelis kartus geriau nei anksčiau gauti rezultatai.
Šie skaičiavimai parodė, kad Visata plečiasi maždaug 71,9 kilometro per sekundę greičiu, o tai iš esmės atitinka rezultatą, kurį Riessas ir jo kolegos gavo „artimais“ kosmologiniais atstumais, ir pasisako už kažkokios trečiosios „tamsos“ egzistavimą. medžiaga, kuri paspartino Visatą jos jaunystėje. Kita galimybė paaiškinti neatitikimus su duomenimis yra ta, kad Visata iš tikrųjų nėra plokščia, bet primena sferą arba „akordeoną“. Taip pat gali būti, kad per pastaruosius 13 milijardų metų pasikeitė tamsiosios medžiagos kiekis arba savybės, todėl visata auga greičiau.
Bet kuriuo atveju mokslininkai planuoja ištirti dar apie šimtą panašių kvazarų, siekdami patikrinti gautų duomenų patikimumą ir suprasti, kaip galima paaiškinti tokį neįprastą Visatos elgesį, kuris netelpa į standartines kosmologines teorijas.
Taigi, kur visata iš tikrųjų plečiasi? Taip, į niekur. Nėra erdvios spintos, užpildytos daiktais. Tačiau norėdami tai suprasti, pažiūrėkime, ką bendrasis reliatyvumas sako apie erdvėlaikį.
Bendrojoje reliatyvumo teorijoje (kaip sako profesionalai) svarbiausia erdvės (ir laiko) savybė yra atstumas (ir laiko intervalas) tarp dviejų taškų. Tiesą sakant, atstumas visiškai lemia erdvę. Atstumo skalės evoliuciją lemia materijos ir energijos kiekis erdvėje, o laikui bėgant skalė didėja ir atstumas tarp galaktikų didėja. Tačiau – ir tai yra keista – tai vyksta be tikro galaktikų judėjimo.
Galbūt šiuo metu jūsų intuicija žlugo. Tačiau tai netrukdys mums išsiaiškinti keistenybių.
Jau sakėme, kad galaktikos tolsta nuo mūsų. Tikrai ne. Mokslininkams tiesiog lengviau paaiškinti, kas iš tikrųjų vyksta. Jie tave apgaudinėja.
„Bet palauk!“, – pasakys moksliškiausias iš jūsų. „Mes matuojame tolimų galaktikų Doplerio poslinkį“. Šis vadinamasis „raudonasis poslinkis“, apie kurį žinote, yra užfiksuotas Žemėje ir kaip pravažiuojančio greitosios pagalbos automobilio sirena leidžia suprasti, kad vyksta judėjimas. Tačiau kosmologiniais mastais taip nėra. Tiesiog nuo tada, kai tolimos galaktikos skleidė šviesą ir ji pasiekė mus, kosmoso mastai labai pasikeitė ir išaugo. Plečiantis erdvei, padidėjo ir fotonų bangos ilgis, todėl šviesa atrodo raudona.
Šis požiūris veda prie kito klausimo: „Ar tikrai Visata plečiasi greičiau nei šviesos greitis? Visiškai tiesa, kad daugumos tolimų galaktikų atstumas nuo mūsų didėja greičiau nei šviesos greitis, bet kas? Jie nejuda greičiau už šviesą (paprastai stovi vietoje). Be to, to žinojimas niekaip nepadės: informacija neperduodama. Jei siunčiate maisto pakuotę į kitą galaktiką, greitesnę nei šviesos greitis, to negalima padaryti (ir čia iš principo). Šviesos greitis išlieka universaliu greičio ribotuvu.
Pateikėme plačiausiai paplitusią (ar reliatyvistų lauke nusistovėjusią) nuomonę apie kosmologinę ekspansiją, tačiau būtų logiška baigti tuo, kad mes visai nesuprantame. Visa tai, kas išdėstyta pirmiau, puikiai tinka, jei turite vietos žengti į priekį ir pasitempti. Bet kas nutiko pačioje pradžioje, dėl ko erdvė tiesiogine prasme susiformavo iš nieko? Fizika neturi atsakymo į šį klausimą. Ir turėsime palaukti, kol kas nors atsiras ir išaiškins šią problemą.
Net astronomai ne visada teisingai supranta Visatos plėtimąsi. Pripučiamas balionas yra sena, bet gera visatos plėtimosi analogija. Rutulio paviršiuje išsidėsčiusios galaktikos yra nejudančios, tačiau plečiantis Visatai atstumas tarp jų didėja, tačiau pačių galaktikų dydis nedidėja.
1965 metų liepą mokslininkai paskelbė atradę aiškius Visatos plėtimosi iš karštesnės ir tankesnės pradinės būsenos požymius. Jie rado vėsinantį Didžiojo sprogimo atšvaitą – reliktinę radiaciją. Nuo to momento Visatos plėtimasis ir vėsimas sudarė kosmologijos pagrindą. Kosmologinė plėtra leidžia suprasti, kaip susiformavo paprastos struktūros ir kaip jos palaipsniui virto sudėtingomis. Praėjus 75 metams po Visatos plėtimosi atradimo, daugelis mokslininkų negali suprasti tikrosios jos prasmės. Prinstono universiteto kosmologas Jamesas Peeblesas, tyrinėjantis kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę, 1993 m. rašė: „Man atrodo, kad net ekspertai nežino, kokia yra karšto Didžiojo sprogimo modelio reikšmė ir galimybės“.
Žinomi fizikai, astronomijos vadovėlių autoriai ir mokslo populiarintojai kartais pateikia neteisingą ar iškreiptą Visatos plėtimosi interpretaciją, kuri ir buvo Didžiojo sprogimo modelio pagrindas. Ką turime omenyje sakydami, kad Visata plečiasi? Tikrai nerimą kelia tai, kad dabar kalbama apie spartėjančią plėtrą, ir tai mus glumina.
APŽVALGA: KOSMINIS NESUpratimas
* Visatos plėtimasis, viena iš pagrindinių šiuolaikinio mokslo sąvokų, vis dar sulaukia įvairių interpretacijų.
* Sąvoka „Didysis sprogimas“ neturėtų būti suprantama pažodžiui. Jis nebuvo bomba, kuri sprogo visatos centre. Tai buvo pats erdvės sprogimas, kuris įvyko visur, lygiai taip pat, kai plečiasi pripūsto baliono paviršius.
* Suprasti skirtumą tarp erdvės plėtimosi ir plėtimosi erdvėje yra labai svarbu norint suprasti Visatos dydį, greitį, kuriuo galaktikų tolsta, taip pat astronominių stebėjimų galimybes ir plėtimosi pagreičio pobūdį, kurį tikėtina Visata. patiriantis.
* Didžiojo sprogimo modelis tik apibūdina tai, kas įvyko po jo.
Kas yra pratęsimas?
Kai kažkas pažįstamo plečiasi, pavyzdžiui, drėgna vieta ar Romos imperija, jie tampa didesni, plečiasi jų ribos ir pradeda užimti daugiau vietos. Tačiau atrodo, kad Visata neturi fizinių ribų ir jai nėra kur judėti. Mūsų Visatos plėtimasis labai panašus į baliono pripūtimą. Didėja atstumai iki tolimų galaktikų. Paprastai astronomai sako, kad galaktikos tolsta arba bėga nuo mūsų, bet jos nejuda erdvėje, kaip „Didžiojo sprogimo bombos“ fragmentai. Iš tikrųjų erdvė tarp mūsų ir galaktikų, chaotiškai judančių praktiškai nejudančių spiečių viduje, plečiasi. CMB užpildo Visatą ir tarnauja kaip atskaitos sistema, kaip baliono guminis paviršius, pagal kurį galima išmatuoti judesį.
Už rutulio ribų matome, kad jo lenkto dvimačio paviršiaus išsiplėtimas įmanomas tik todėl, kad jis yra trimatėje erdvėje. Trečioje dimensijoje yra rutulio centras, o jo paviršius išsiplečia į jį supantį tūrį. Remiantis tuo, galima daryti išvadą, kad mūsų trimačio pasaulio plėtrai reikalingas ketvirtosios dimensijos buvimas erdvėje. Tačiau pagal bendrąją Einšteino reliatyvumo teoriją erdvė yra dinamiška: ji gali plėstis, trauktis ir lenktis.
Eismo kamštis
Visata yra savarankiška. Iš jo plėstis nereikia nei centro, nei laisvos erdvės išorėje (kad ir kur ji būtų), kad ten plėstųsi. Tiesa, kai kurios naujesnės teorijos, pavyzdžiui, stygų teorija, postuluoja papildomų matmenų buvimą, tačiau jų nereikia, nes plečiasi mūsų trimatė Visata.
Mūsų Visatoje, kaip ir ant baliono paviršiaus, kiekvienas objektas tolsta nuo visų kitų. Taigi Didysis sprogimas nebuvo sprogimas erdvėje, o veikiau pačios erdvės sprogimas, kuris neįvyko konkrečioje vietoje, o paskui išsiplėtė į aplinkinę tuštumą. Tai vyko visur vienu metu.
KOKS BUVO DIDYSIS SPŪGIS?
NETEISINGAI: Visata gimė, kai materija, kaip bomba, sprogo tam tikroje vietoje. Slėgis buvo didelis centre ir žemas aplinkinėje tuštumoje, todėl medžiaga išsisklaidė.
TEISINGAI: Tai buvo pačios erdvės sprogimas, kuris pajudėjo materiją. Mūsų erdvė ir laikas atsirado Didžiojo sprogimo metu ir pradėjo plėstis. Centro niekur nebuvo, nes... sąlygos visur buvo vienodos, nebuvo įprastiniam sprogimui būdingo slėgio kritimo.
Jei įsivaizduosime, kad filmą žaidžiame atvirkštine tvarka, pamatysime, kaip suspaudžiami visi Visatos regionai, o galaktikos suartėja, kol jos visos susidurs Didžiojo sprogimo metu, kaip automobiliai kamštyje. Tačiau palyginimas čia nėra baigtas. Jei įvyktų nelaimė, išgirdęs pranešimus apie tai per radiją, galėjai apvažiuoti spūstį. Tačiau Didysis sprogimas buvo katastrofa, kurios nepavyko išvengti. Tarsi Žemės paviršius ir visi jame esantys keliai buvo suglamžyti, bet automobiliai išliko tokio pat dydžio. Galiausiai automobiliai susidūrė, ir jokia radijo žinutė negalėjo to užkirsti kelio. Taip pat ir Didysis sprogimas: jis įvyko visur, kitaip nei bombos sprogimas, kuris įvyksta tam tikru momentu, o skeveldros skrenda į visas puses.
Didžiojo sprogimo teorija mums nepasako, kokio dydžio Visata ir ar ji yra baigtinė, ar begalinė. Reliatyvumo teorija aprašo, kaip kiekvienas erdvės regionas plečiasi, bet nieko nesako apie dydį ar formą. Kosmologai kartais tvirtina, kad Visata kadaise nebuvo didesnė už greipfrutą, tačiau jie turi omenyje tik tą jos dalį, kurią dabar galime stebėti.
Andromedos ūko ar kitų galaktikų gyventojai turi savo stebimas visatas. Stebėtojai Andromedoje gali pamatyti galaktikas, kurios mums nepasiekiamos vien todėl, kad jos yra šiek tiek arčiau jų; bet jie negali kontempliuoti tų, kuriuos mes svarstome. Jų stebima visata taip pat buvo greipfruto dydžio. Galima įsivaizduoti, kad ankstyvoji Visata buvo tarsi šių vaisių krūva, be galo besidriekianti į visas puses. Tai reiškia, kad mintis, kad Didysis sprogimas buvo „mažas“, yra klaidinga. Visatos erdvė yra beribė. Ir kad ir kaip suspaustumėte, toks jis liks.
Greičiau už šviesą
Klaidingos nuomonės taip pat gali būti siejamos su kiekybiniu plėtros aprašymu. Atstumų tarp galaktikų didėjimo greitis atitinka paprastą modelį, kurį 1929 m. atrado amerikiečių astronomas Edvinas Hablas: galaktikos tolimo greitis v yra tiesiogiai proporcingas jos atstumui d nuo mūsų, arba v = Hd. Proporcingumo koeficientas H vadinamas Hablo konstanta ir lemia erdvės plėtimosi greitį tiek aplink mus, tiek aplink bet kurį stebėtoją Visatoje.
Kai kuriuos glumina tai, kad ne visos galaktikos paklūsta Hablo dėsniams. Arčiausiai mūsų esanti didelė galaktika (Andromeda) paprastai juda link mūsų, o ne nuo mūsų. Tokios išimtys atsiranda todėl, kad Hablo dėsnis apibūdina tik vidutinį galaktikų elgesį. Bet kiekviena iš jų taip pat gali šiek tiek judėti, nes galaktikos viena kitai daro gravitacinę įtaką, pavyzdžiui, mūsų galaktika ir Andromeda. Tolimos galaktikos taip pat turi mažus chaotiškus greičius, tačiau esant dideliam atstumui nuo mūsų (esant didelei d reikšmei), šie atsitiktiniai greičiai yra nereikšmingi didelių tolimo greičių (v) fone. Todėl tolimoms galaktikoms Hablo dėsnį tenkina didelis tikslumas.
Pagal Hablo dėsnį, Visata nesiplečia pastoviu greičiu. Kai kurios galaktikos tolsta nuo mūsų 1 tūkst. km/s greičiu, kitos, esančios dvigubai toliau, 2 tūkst. km/s greičiu ir t.t. Taigi Hablo dėsnis rodo, kad, pradėdamos nuo tam tikro atstumo, vadinamo Hablo atstumu, galaktikos tolsta superluminaliniu greičiu. Išmatuotai Hablo konstantos vertei šis atstumas yra apie 14 milijardų šviesmečių.
Tačiau ar Einšteino specialiosios reliatyvumo teorija nesako, kad joks objektas negali keliauti greičiau nei šviesos greitis? Šis klausimas glumino daugybę studentų kartų. Ir atsakymas yra tas, kad specialioji reliatyvumo teorija taikoma tik „normaliam“ greičiui - judėjimui erdvėje. Hablo dėsnis nurodo nuosmukio greitį, kurį sukelia pati erdvės plėtra, o ne judėjimas erdvėje. Šis bendrosios reliatyvumo teorijos poveikis nėra pavaldus specialiajam reliatyvumo teorijai. Didesnis nei šviesos greitis pašalinimo greitis niekaip nepažeidžia specialiosios reliatyvumo teorijos. Vis dar tiesa, kad niekas negali pasivyti šviesos pluošto.
AR GALAKTIKOS GALI PAŠALINTI GREIČIU GREIČIU UŽ ŠVIESOS GREITĮ?
NETEISINGAI: Einšteino dalinė reliatyvumo teorija tai draudžia. Apsvarstykite erdvės sritį, kurioje yra keletas galaktikų. Dėl jo plėtimosi galaktikos tolsta nuo mūsų. Kuo toliau galaktika, tuo didesnis jos greitis (raudonos rodyklės). Jei šviesos greitis yra riba, pašalinimo greitis ilgainiui turėtų tapti pastovus.
TEISINGAI: Žinoma, jie gali. Dalinė reliatyvumo teorija neatsižvelgia į pašalinimo greitį. Pašalinimo greitis be galo didėja didėjant atstumui. Už tam tikro atstumo, vadinamo Hablo atstumu, jis viršija šviesos greitį. Tai nėra reliatyvumo teorijos pažeidimas, nes pašalinimą sukelia ne judėjimas erdvėje, o pačios erdvės plėtimasis.
AR GALAKKTIKAS GREČIAU UŽ ŠVIESĄ JUNGANTIAS GAIČIAU?
NETEISINGAI: Žinoma, kad ne. Šviesa iš tokių galaktikų skrenda kartu su jais. Tegul galaktika yra už Hablo atstumo (sferos), t.y. tolsta nuo mūsų greičiau nei šviesos greitis. Jis skleidžia fotoną (pažymėtą geltonai). Kai fotonas skrenda per erdvę, pati erdvė plečiasi. Atstumas iki Žemės didėja greičiau nei juda fotonas. Jis niekada mūsų nepasieks.
TEISINGAI: Žinoma, galite, nes plėtimosi greitis laikui bėgant kinta. Pirma, fotoną iš tikrųjų nuneša plėtimasis. Tačiau Hablo atstumas nėra pastovus: jis didėja, ir galiausiai fotonas gali patekti į Hablo sferą. Kai tai įvyks, fotonas judės greičiau, nei tolsta Žemė, ir galės mus pasiekti.
Fotonų tempimas
Pirmieji stebėjimai, rodantys, kad Visata plečiasi, buvo atlikti 1910–1930 m. Laboratorijoje atomai skleidžia ir sugeria šviesą, visada esant tam tikram bangos ilgiui. Tas pats pastebimas ir tolimų galaktikų spektruose, bet su poslinkiu į ilgesnius bangos ilgius. Astronomai teigia, kad galaktikos spinduliuotė yra raudonai pasislinkusi. Paaiškinimas paprastas: erdvei plečiantis, šviesos banga išsitempia ir todėl silpnėja. Jei per tą laiką, kai mus pasiekė šviesos banga, Visata išsiplėtė du kartus, tai bangos ilgis padvigubėjo, o jos energija susilpnėjo per pusę.
NUVARGIMO HIPOTEZĖ
Kiekvieną kartą, kai „Scientific American“ publikuoja straipsnį apie kosmologiją, daugelis skaitytojų mums rašo, kad, jų manymu, galaktikos tikrai nuo mūsų nenutolsta ir kad erdvės plėtimasis yra iliuzija. Jie mano, kad raudonąjį poslinkį galaktikų spektruose sukelia kažkas panašaus į „nuovargį“ po ilgos kelionės. Dėl kažkokio nežinomo proceso šviesa, keliaujanti erdvėje, praranda energiją ir dėl to tampa raudona.
Ši hipotezė yra daugiau nei pusės amžiaus senumo ir iš pirmo žvilgsnio atrodo pagrįsta. Bet tai visiškai nesuderinama su stebėjimais.
Pavyzdžiui, kai žvaigždė sprogsta kaip supernova, ji užsidega ir tada pritemsta. Visas procesas užtrunka apie dvi savaites tokio tipo supernovoms, kurias astronomai naudoja atstumams iki galaktikų nustatyti. Per šį laikotarpį supernova skleidžia fotonų srautą. Šviesos nuovargio hipotezė sako, kad fotonai pakeliui praras energiją, tačiau stebėtojas vis tiek gaus dvi savaites trunkantį fotonų srautą.
Tačiau besiplečiančioje erdvėje ne tik ištempiami patys fotonai (todėl prarandama energija), bet ištempiamas ir jų srautas. Todėl užtrunka daugiau nei dvi savaites, kol visi fotonai pasiekia Žemę. Stebėjimai patvirtina šį poveikį. Supernovos sprogimas galaktikoje, kurios raudonasis poslinkis yra 0,5, trunka tris savaites, o galaktikoje, kurios raudonasis poslinkis yra 1 – mėnesį.
Šviesos nuovargio hipotezė taip pat prieštarauja kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės spektro stebėjimams ir tolimų galaktikų paviršiaus ryškumo matavimams. Atėjo laikas išeiti į pensiją „pavargusią šviesą“ (Charles Lineweaver ir Tamara Davis).
Procesą galima apibūdinti pagal temperatūrą. Kūno skleidžiami fotonai turi energijos pasiskirstymą, kuriam paprastai būdinga temperatūra, kuri parodo kūno karštį. Kai fotonai juda besiplečiančia erdve, jie praranda energiją ir mažėja jų temperatūra. Taigi, Visata plečiasi atvėsta, kaip suslėgtas oras, išeinantis iš naro bako. Pavyzdžiui, kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės temperatūra dabar yra apie 3 K, o ji gimė maždaug 3000 K temperatūroje. Tačiau nuo to laiko Visata padidėjo 1000 kartų, o fotonų temperatūra padidėjo. sumažėjo tiek pat. Stebėdami dujas tolimose galaktikose, astronomai tiesiogiai matuoja šios spinduliuotės temperatūrą tolimoje praeityje. Matavimai patvirtina, kad laikui bėgant Visata vėsta.
Taip pat yra tam tikrų prieštaravimų dėl raudonojo poslinkio ir greičio ryšio. Raudonasis poslinkis, kurį sukelia plėtimasis, dažnai painiojamas su labiau pažįstamu raudonuoju poslinkiu, kurį sukelia Doplerio efektas, dėl kurio garso bangos paprastai pailgėja, jei garso šaltinis tolsta. Tas pats pasakytina ir apie šviesos bangas, kurios ilgėja šviesos šaltiniui tolstant erdvėje.
Doplerio raudonasis poslinkis ir kosmologinis raudonasis poslinkis yra visiškai skirtingi dalykai ir apibūdinami skirtingomis formulėmis. Pirmasis išplaukia iš specialiosios reliatyvumo teorijos, kurioje neatsižvelgiama į erdvės plėtimąsi, o antroji – iš bendrosios reliatyvumo teorijos. Šios dvi formulės yra beveik vienodos netoliese esančioms galaktikoms, tačiau skiriasi tolimoms.
Pagal Doplerio formulę, jei objekto greitis erdvėje artėja prie šviesos greičio, tai jo raudonasis poslinkis linkęs į begalybę, o bangos ilgis tampa per ilgas ir todėl nepastebimas. Jei tai būtų tiesa galaktikoms, tada tolimiausi matomi dangaus objektai toltų pastebimai mažesniu nei šviesos greičiu. Tačiau kosmologinė raudonojo poslinkio formulė leidžia daryti kitokią išvadą. Standartiniame kosmologiniame modelyje galaktikos, kurių raudonasis poslinkis yra apie 1,5 (t. y. numanomas jų spinduliavimo bangos ilgis yra 50 % didesnis už laboratorinę vertę), tolsta šviesos greičiu. Astronomai jau atrado apie 1000 galaktikų, kurių raudonasis poslinkis didesnis nei 1,5. Tai reiškia, kad žinome apie 1000 objektų, kurie tolsta greičiau nei šviesos greitis. CMB ateina iš dar didesnio atstumo ir turi apie 1000 raudonojo poslinkio. Kai jaunos Visatos karšta plazma skleidė spinduliuotę, kurią gauname šiandien, ji toldavo nuo mūsų beveik 50 kartų greičiau nei šviesos greitis.
Bėga vietoje
Sunku patikėti, kad galime pamatyti galaktikas, judančias greičiau nei šviesos greitis, tačiau tai įmanoma dėl plėtimosi greičio pokyčių. Įsivaizduokite, kad šviesos spindulys ateina į mus iš didesnio atstumo nei Hablo atstumas (14 milijardų šviesmečių). Jis juda link mūsų šviesos greičiu, palyginti su jo buvimo vieta, bet pats tolsta nuo mūsų greičiau nei šviesos greitis. Nors šviesa veržiasi link mūsų kuo greičiau, ji negali neatsilikti nuo erdvės plėtimosi. Tai tarsi vaikas, bandantis bėgti atgal eskalatoriumi. Hablo atstumu esantys fotonai keliauja kuo greičiau, kad liktų toje pačioje vietoje.
Galite manyti, kad šviesa iš regionų, esančių toliau nei Hablo atstumas, niekada mūsų nepasieks ir mes niekada jos nepamatysime. Tačiau Hablo atstumas nelieka pastovus, nes Hablo konstanta, nuo kurios jis priklauso, laikui bėgant keičiasi. Ši vertė yra proporcinga greičiui, kuriuo dvi galaktikos juda vienas nuo kito, padalijus iš atstumo tarp jų. (Skaičiavimui gali būti naudojamos bet kurios dvi galaktikos.) Visatos modeliuose, kurie sutinka su astronominiais stebėjimais, vardiklis didėja greičiau nei skaitiklis, todėl Hablo konstanta mažėja. Dėl to Hablo atstumas didėja. Jei taip, šviesa, kuri iš pradžių mūsų nepasiekė, galiausiai gali patekti į Hablo atstumą. Tada fotonai atsidurs lėčiau nei šviesos greitis tolstančiame regione, po kurio jie galės mus pasiekti.
AR TIKRAI KOSMINIS RAUDONOJI PASIEKIMAS YRA DOPLERIO POSĖJIMAS?
NETEISINGAI: Taip, nes tolstančios galaktikos juda per erdvę. Taikant Doplerio efektą šviesos bangos išsitempia (tampa raudonesnės), nes jų šaltinis tolsta nuo stebėtojo. Šviesos bangos ilgis nesikeičia, kai ji sklinda per erdvę. Stebėtojas gauna šviesą, išmatuoja jos raudonąjį poslinkį ir apskaičiuoja galaktikos greitį.
TEISINGAI: Ne, raudonasis poslinkis neturi nieko bendra su Doplerio efektu. Galaktika erdvėje beveik nejuda, todėl į visas puses skleidžia vienodo bangos ilgio šviesą. Kelionės metu, plečiantis erdvei, bangos ilgis ilgėja. Todėl šviesa palaipsniui tampa raudona. Stebėtojas gauna šviesą, išmatuoja jos raudonąjį poslinkį ir apskaičiuoja galaktikos greitį. Kosminis raudonasis poslinkis skiriasi nuo Doplerio poslinkio, kaip patvirtina stebėjimai.
Tačiau šviesą siuntusi galaktika gali toliau tolti superluminal greičiu. Taigi galime stebėti šviesą iš galaktikų, kurios, kaip ir anksčiau, visada tols greičiau nei šviesos greitis. Trumpai tariant, Hablo atstumas nėra fiksuotas ir nenurodo mums stebimos Visatos ribų.
Kas iš tikrųjų žymi stebimos erdvės ribą? Čia taip pat yra tam tikra painiava. Jei erdvė nebūtų išsiplėtusi, tai dabar galėtume stebėti labiausiai nutolusį objektą, esantį maždaug 14 milijardų šviesmečių atstumu nuo mūsų, t.y. atstumas, kurį šviesa nukeliavo per 14 milijardų metų nuo Didžiojo sprogimo. Tačiau Visatai plečiantis, fotono peržengta erdvė jo kelionės metu išsiplėtė. Todėl dabartinis atstumas iki labiausiai nutolusio stebimo objekto yra maždaug tris kartus didesnis – apie 46 milijardus šviesmečių.
Kosmologai manė, kad mes gyvename lėtėjančioje Visatoje ir todėl galime stebėti vis daugiau galaktikų. Tačiau greitėjančioje Visatoje mus atitveria riba, už kurios niekada nepamatysime vykstančių įvykių – tai yra kosminis įvykių horizontas. Jei šviesa iš galaktikų, tolstančių greičiau nei šviesos greitis, mus pasieks, Hablo atstumas padidės. Tačiau greitėjančioje Visatoje jo didėjimas draudžiamas. Tolimas įvykis gali pasiųsti šviesos spindulį mūsų kryptimi, tačiau ta šviesa amžinai išliks už Hablo atstumo ribos dėl plėtimosi pagreitėjimo.
Kaip matome, greitėjanti Visata primena juodąją skylę, kuri taip pat turi įvykių horizontą, iš kurio išorės negauname signalų. Dabartinis atstumas iki mūsų kosminių įvykių horizonto (16 milijardų šviesmečių) yra tik mūsų stebimame regione. Galaktikų, kurios dabar yra toliau už kosminių įvykių horizontą, skleidžiama šviesa niekada nepasieks mūsų, nes atstumas, kuris šiuo metu atitinka 16 milijardų šviesmečių, išsiplės per greitai. Mes galėsime pamatyti įvykius, kurie vyko galaktikose prieš jiems kertant horizontą, bet niekada nesužinosime apie vėlesnius įvykius.
Ar visatoje viskas plečiasi?
Žmonės dažnai galvoja, kad jei erdvė plečiasi, plečiasi ir viskas joje. Bet tai netiesa. Išsiplėtimas kaip toks (t. y. pagal inerciją, be pagreičio ar lėtėjimo) nesukelia jokios jėgos. Fotono bangos ilgis didėja augant Visatai, nes, skirtingai nei atomai ir planetos, fotonai nėra sujungti objektai, kurių dydžius lemia jėgų pusiausvyra. Kintantis plėtimosi greitis įveda naują jėgą į pusiausvyrą, tačiau dėl to objektai negali plėstis ar susitraukti.
Pavyzdžiui, jei gravitacija sustiprėtų, jūsų nugaros smegenys susitrauktų tol, kol stuburo elektronai pasieks naują pusiausvyros padėtį, šiek tiek arčiau vienas kito. Jūsų ūgis šiek tiek sumažėtų, tačiau suspaudimas sustos. Lygiai taip pat, jei gyventume visatoje, kurioje vyrauja gravitacinės jėgos, kaip prieš keletą metų manė dauguma kosmologų, plėtimasis sulėtėtų ir visi kūnai būtų silpnai suspausti, priversdami juos pasiekti mažesnę pusiausvyrą. dydis. Tačiau, pasiekę jį, jie nebemažėtų.
KIEK DIDŽIAUSI YRA STEBĖJAMOJI VISATA?
NETEISINGAI: Visata yra 14 milijardų metų, todėl stebimos jos dalies spindulys turi būti 14 milijardų šviesmečių. Apsvarstykite tolimiausią iš stebimų galaktikų – tą, kurios fotonai, išspinduliuoti iškart po Didžiojo sprogimo, pasiekė tik dabar. mus. Šviesmetis – tai atstumas, kurį fotonas nukeliauja per metus. Tai reiškia, kad fotonas nukeliavo 14 milijardų šviesmečių
TEISINGAI: plečiantis erdvei, stebimo regiono spindulys yra didesnis nei 14 milijardų šviesmečių. Kai fotonas keliauja, erdvė, kurią jis kerta, plečiasi. Kol jis mus pasiekia, atstumas iki jį spinduliavusios galaktikos tampa didesnis nei tiesiog skaičiuojant pagal skrydžio laiką – maždaug tris kartus didesnis.
Tiesą sakant, plėtimasis vis spartėja, o tai sukelia silpna jėga, „išpučianti“ visus kūnus. Todėl surišti objektai yra šiek tiek didesni nei jie būtų nespartėjančioje Visatoje, nes jie pasiekia pusiausvyrą būdami šiek tiek didesnio dydžio. Žemės paviršiuje pagreitis, nukreiptas į išorę, toliau nuo planetos centro, yra maža dalis ($10^(–30)$) normalaus gravitacinio pagreičio link centro. Jei šis pagreitis yra pastovus, tai nesukels Žemės plitimo. Planeta tiesiog įgauna šiek tiek didesnį dydį, nei būtų buvusi be atstumiančios jėgos.
Tačiau viskas pasikeis, jei pagreitis nebus pastovus, kaip mano kai kurie kosmologai. Jei atstūmimas padidės, tai galiausiai gali sukelti visų struktūrų griūtį ir sukelti „didįjį plyšimą“, kuris įvyktų ne dėl išsiplėtimo ar pagreičio per se, o dėl to, kad pagreitis paspartėtų.
AR OBJEKTAI VISATOS TAIP PAT PLĖČIASI?
NETEISINGAI: Taip. Dėl plėtimosi Visata ir viskas joje didėja. Galaktikų spiečius laikykime objektu. Didėjant Visatai, didėja ir spiečius. Klasterio riba (geltona linija) plečiasi.
TEISINGAI: Ne. Visata plečiasi, bet joje esantys susieti objektai to nedaro. Kaimyninės galaktikos iš pradžių tolsta, bet galiausiai jų tarpusavio trauka įveikia plėtimąsi. Klasteris sudaromas tokio dydžio, kuris atitinka jo pusiausvyros būseną.
Kadangi nauji, tikslūs matavimai padeda kosmologams geriau suprasti plėtimąsi ir pagreitį, jie gali užduoti dar svarbesnius klausimus apie ankstyviausius Visatos momentus ir didžiausius mastelius. Kas lėmė plėtrą? Daugelis kosmologų mano, kad dėl to kaltas procesas, vadinamas infliacija, ypatingas spartėjančio plėtimosi tipas. Bet galbūt tai tik dalinis atsakymas: kad tai prasidėtų, atrodo, kad Visata jau turėjo plėstis. O kaip dėl didžiausių mastelių, už mūsų stebėjimų ribų? Ar skirtingos Visatos dalys plečiasi skirtingai, todėl mūsų Visata yra tik nedidelis infliacijos burbulas milžiniškoje supervisatoje? Niekas nežino. Tačiau tikimės, kad laikui bėgant pavyks suprasti Visatos plėtimosi procesą.
APIE AUTORIUS:
Charlesas H. Lineweaveris ir Tamara M. Davis yra Australijos Mount Stromlo observatorijos astronomai. 1990-ųjų pradžioje. Kalifornijos universitete Berklyje Lineweaveris priklausė mokslininkų komandai, kuri atrado kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės svyravimus naudojant COBE palydovą. Apgynė disertaciją ne tik apie astrofiziką, bet ir apie istoriją bei anglų literatūrą. Davisas dirba kosminėje observatorijoje, vadinamoje Supernova / Acceleration Probe.
PASTABOS Į STRAIPSNĮ „DIDŽIOJO SPĖGIMO PARADOKSAI“
Profesorius Anatolijus Vladimirovičius Zasovas, fizika. Maskvos valstybinio universiteto fakultetas: visi nesusipratimai, dėl kurių ginčijasi straipsnio autoriai, yra susiję su tuo, kad aiškumo dėlei jie dažniausiai svarsto riboto Visatos tūrio plėtimąsi griežtoje atskaitos sistemoje (ir jos plėtimąsi). pakankamai mažas regionas, kad nebūtų atsižvelgta į laiko skirtumą Žemėje ir tolimose galaktikose žemės atskaitos sistemoje). Iš čia kilo idėja apie sprogimą, Doplerio poslinkį ir plačiai paplitusią painiavą dėl judėjimo greičio. Autoriai rašo ir rašo taisyklingai, kaip viskas atrodo neinercinėje (lydinčioje) koordinačių sistemoje, kurioje dažniausiai dirba kosmologai, nors straipsnyje to tiesiogiai nepasakoma (iš esmės visi atstumai ir greičiai priklauso nuo koordinačių pasirinkimo). atskaitos sistema, ir čia visada yra tam tikra savivalė). Vienintelis dalykas, kuris neparašyta aiškiai, yra tai, kad nėra apibrėžta, ką reiškia atstumas besiplečiančioje Visatoje. Pirma, autoriai tai nurodo kaip šviesos greitį, padaugintą iš sklidimo laiko, o tada jie sako, kad taip pat reikia atsižvelgti į plėtimąsi, dėl kurios galaktika buvo dar labiau nutolusi, kol šviesa buvo pakeliui. Taigi atstumas jau suprantamas kaip šviesos greitis, padaugintas iš sklidimo laiko, kurio prireiktų, jei galaktika nustotų tolti ir skleistų šviesą dabar. Iš tikrųjų viskas yra sudėtingiau. Atstumas yra nuo modelio priklausomas dydis ir jo negalima gauti tiesiogiai iš stebėjimų, todėl kosmologai puikiai apsieina ir be jo, pakeisdami jį raudonuoju poslinkiu. Bet galbūt griežtesnis požiūris čia netinka.
