Naslednji korak v organizaciji snovi v vesolju so galaksije. Tipičen primer je naša galaksija, Rimska cesta. Vsebuje približno 10 11 zvezd in ima obliko tankega diska z odebelitvijo v sredini.
Na sl. 39 shematično prikazuje strukturo naše galaksije Rimske ceste in nakazuje položaj Sonca v enem od spiralnih krakov galaksije.
riž. 39. Zgradba galaksije Rimska cesta.
Na sl. 40 prikazuje projekcijo na ravnino 16 najbližjih sosedov naše galaksije.
riž. 40. 16 najbližjih sosedov naše galaksije, projiciranih na ravnino. LMC in MMO − Veliki in Mali Magellanov oblak
Zvezde v galaksijah so neenakomerno razporejene.
Velikosti galaksij se gibljejo od 15 do 800 tisoč svetlobnih let. Masa galaksij se giblje od 10 7 do 10 12 sončnih mas. Večina zvezd in hladnega plina je skoncentriranih v galaksijah. Zvezde v galaksijah držita skupaj celotno gravitacijsko polje galaksije in temna snov.
Naša galaksija Rimska cesta je tipičen spiralni sistem. Zvezde v galaksiji imajo skupaj s splošno rotacijo galaksij tudi svoje lastne hitrosti glede na galaksijo. Orbitalna hitrost Sonca v naši galaksiji je 230 km/s. Lastna hitrost Sonca glede na galaksijo je
20 km/s.
Odkritje sveta galaksij pripada E. Hubblu. V letih 1923–1924 je z opazovanjem sprememb v siju cefeid, ki se nahajajo v posameznih meglicah, pokazal, da so bile meglice, ki jih je odkril, galaksije, ki se nahajajo zunaj naše galaksije, Rimske ceste. Zlasti je odkril, da je meglica Andromeda še en zvezdni sistem – galaksija, ki ni del naše galaksije Rimska cesta. Meglica Andromeda je spiralna galaksija, ki se nahaja na razdalji 520 kpc. Prečna velikost Andromedine meglice je 50 kpc.
S preučevanjem radialnih hitrosti posameznih galaksij je Hubble prišel do izjemnega odkritja:
H = 73,8 ± 2,4 km s -1 megaparsec -1 je Hubblov parameter.
riž. 41. Originalni Hubblov graf iz članka iz leta 1929.
riž. 42. Hitrost oddaljevanja galaksij glede na razdaljo do Zemlje.
Na sl. 42 v izhodišču koordinat kvadrat prikazuje območje galaktičnih hitrosti in razdalje do njih, na podlagi katerih je E. Hubble izpeljal razmerje (9).
Hubblovo odkritje je imelo predzgodovino. Leta 1914 je astronom V. Slifer pokazal, da se meglica Andromeda in več drugih meglic gibljejo glede na sončni sistem s hitrostjo okoli 1000 km/h. E. Hubble, ki je delal na največjem svetovnem teleskopu z glavnim zrcalom s premerom 2,5 m na observatoriju Mount Wilson v Kaliforniji (ZDA), je prvič uspelo razrešiti posamezne zvezde v meglici Andromeda. Med temi zvezdami so bile zvezde cefeide, za katere je znana odvisnost med periodo spremembe sijaja in sijaja.
Poznavanje svetilnosti zvezde in hitrosti zvezde je E. Hubble dobil odvisnost hitrosti odstranitve zvezd iz sončnega sistema glede na razdaljo. Na sl. 41 je graf iz izvirno delo E. Hubble.
riž. 43. Vesoljski teleskop Hubble
Dopplerjev učinekDopplerjev učinek je sprememba frekvence, ki jo posname sprejemnik, ko se vir ali sprejemnik premakne. Če premikajoči se vir oddaja svetlobo s frekvenco ω 0, potem je frekvenca svetlobe, ki jo posname sprejemnik, določena z razmerjem
c je hitrost svetlobe v vakuumu, v je hitrost vira sevanja glede na sprejemnik sevanja, θ je kot med smerjo na vir in vektorjem hitrosti v referenčnem sistemu sprejemnika. θ = 0 ustreza radialni razdalji vira od sprejemnika, θ = π ustreza radialnemu približevanju vira sprejemniku.
|
Radialno hitrost gibanja nebesnih teles - zvezd, galaksij - določimo z merjenjem spremembe frekvence spektralnih linij. Ko se vir sevanja oddalji od opazovalca, se valovne dolžine premaknejo proti daljšim (rdeči premik). Ko se vir sevanja približa opazovalcu, se valovne dolžine premaknejo proti krajšim valovnim dolžinam (modri premik). S povečanjem širine porazdelitve spektralne črte lahko določimo temperaturo sevalnega predmeta.
Hubble je razdelil galaksije glede na njihovo videz v tri glavne razrede:
eliptična (E),
spirala (S),
nepravilno (Ir).
riž. 44. Vrste galaksij (spiralne, eliptične, nepravilne).
Značilnost spiralnih galaksij so spiralni kraki, ki segajo od središča čez zvezdni disk.
Eliptične galaksije so eliptični sistemi brez strukture.
Nepravilne galaksije odlikuje navzven kaotična, raztrgana struktura in nimajo določene oblike.
Takšna klasifikacija galaksij ne odraža le njihove zunanje oblike, temveč tudi lastnosti zvezd, ki jih sestavljajo.
Eliptične galaksije so večinoma sestavljene iz starih zvezd. V nepravilnih galaksijah k sevanju največ prispevajo zvezde, mlajše od Sonca. Spiralne galaksije vsebujejo zvezde vseh starosti. Tako je razlika v videzu galaksij določena z naravo njihovega razvoja. V eliptičnih galaksijah je nastajanje zvezd praktično prenehalo pred milijardami let. Spiralne galaksije še naprej tvorijo zvezde. V nepravilnih galaksijah je nastajanje zvezd tako intenzivno, kot je bilo pred milijardami let. Skoraj vse zvezde so skoncentrirane v širokem disku, katerega večina je medzvezdni plin.
Tabela 19 prikazuje relativno primerjavo teh treh vrst galaksij in primerjavo njihovih lastnosti na podlagi analize E. Hubbla.
Tabela 19
|
Glavne vrste galaksij in njihove lastnosti (po E. Hubblu) |
||
|
Spirala |
Eliptične |
Nepravilno |
|
Odstotek v vesolju |
||
|
Oblika in strukturne lastnosti |
||
|
Ploščat disk iz zvezd in plina s spiralnimi kraki, ki se zgostijo proti sredini. Jedro starejših zvezd in približno sferični halo (medzvezdni plin, nekatere zvezde in magnetna polja) | ||
Velika fizika preteklosti I. Newton in A. Einstein sta videla vesolje kot statično. Sovjetski fizik A. Fridman je leta 1924 prišel s teorijo "oddaljevanja" galaksij. Friedman je napovedal širjenje vesolja. To je bil revolucionaren preobrat v fizični predstavitvi našega sveta.
Ameriški astronom Edwin Hubble je raziskoval meglico Andromeda. Do leta 1923 je lahko ugotovil, da so njegovi obrobji kopice posameznih zvezd. Hubble je izračunal razdaljo do meglice. Izkazalo se je, da je 900.000 svetlobnih let (natančneje izračunana razdalja danes je 2,3 milijona svetlobnih let). To pomeni, da se meglica nahaja daleč onkraj Mlečne ceste - naše galaksije. Po opazovanju te in drugih meglic je Hubble prišel do zaključka o strukturi vesolja.
Vesolje je sestavljeno iz zbirke ogromnih zvezdnih kopic - galaksije.
Prav oni se nam na nebu zdijo kot oddaljeni megleni "oblaki", saj posameznih zvezd na tako veliki razdalji preprosto ne moremo upoštevati.
E. Hubble opazil pomemben vidik v prejetih podatkih, ki so jih astronomi opazovali že prej, a jih je bilo težko interpretirati. Namreč: opazovana dolžina spektralnih svetlobnih valov, ki jih oddajajo atomi oddaljenih galaksij, je nekoliko daljša od dolžine spektralnih valov, ki jih oddajajo isti atomi v pogojih zemeljskih laboratorijev. To pomeni, da je v emisijskem spektru sosednjih galaksij kvant svetlobe, ki ga oddaja atom med skokom elektrona iz orbite v orbito, premaknjen po frekvenci v smeri rdečega dela spektra v primerjavi s podobnim kvantom, ki ga odda isti atom na Zemlji. Hubble si je zadal to opazko interpretirati kot manifestacijo Dopplerjevega učinka.
Vse opazovane sosednje galaksije se oddaljujejo od Zemlje, saj imajo skoraj vsi galaktični objekti zunaj Rimske ceste rdeč spektralni premik, ki je sorazmeren s hitrostjo njihovega oddaljevanja.
Najpomembneje je, da je Hubble lahko primerjal rezultate svojih meritev razdalj do sosednjih galaksij z meritvami hitrosti njihovega odstranjevanja (z rdečim premikom).
Matematično je zakon formuliran zelo preprosto:
kjer je v hitrost galaksije, ki se oddaljuje od nas,
r je razdalja do njega,
H je Hubblova konstanta.
In čeprav je Hubble sprva prišel do tega zakona kot rezultat opazovanja le nekaj nam najbližjih galaksij, nobena od mnogih novih galaksij vidnega vesolja, odkritih od takrat, ki so vedno bolj oddaljene od Rimske ceste, ne izpade tega zakona.
Torej, glavna posledica Hubblovega zakona:
Vesolje se širi.
Samo tkivo svetovnega prostora se širi. Vsi opazovalci (in mi nismo nobena izjema) menimo, da smo v središču vesolja.
4. Teorija velikega poka
Iz eksperimentalnega dejstva recesije galaksij je bila ocenjena starost vesolja. Izkazalo se je enako - približno 15 milijard let! Tako se je začela doba moderne kozmologije.
Seveda se postavlja vprašanje: kaj se je zgodilo na začetku? Skupaj so znanstveniki potrebovali približno 20 let, da so ponovno popolnoma spremenili predstave o vesolju.
Predlagani odgovor izjemen fizik G. Gamow (1904 - 1968) v 40. letih. Zgodovina našega sveta se je začela z velikim pokom. Točno to misli večina astrofizikov danes.
Veliki pok je hiter padec prvotno ogromne gostote, temperature in tlaka snovi, koncentrirane v zelo majhni prostornini vesolja. Vsa snov vesolja je bila stisnjena v gosto grudo prasnovi, zaprto v zelo majhnem volumnu v primerjavi s trenutnim obsegom vesolja.
Zamisel o vesolju, ki se je rodilo iz supergostega strdka supervroče snovi in se od takrat širi in ohlaja, se imenuje teorija velikega poka.
Danes ni uspešnejšega kozmološkega modela nastanka in razvoja vesolja.
Po teoriji velikega poka je bilo zgodnje vesolje sestavljeno iz fotonov, elektronov in drugih delcev. Fotoni so nenehno v interakciji z drugimi delci. Ko se je vesolje širilo, se je ohlajalo in na določeni stopnji so se elektroni začeli združevati z jedri vodika in helija ter tvoriti atome. To se je zgodilo pri temperaturi okoli 3000 K, približna starost vesolja pa je 400.000 let. Od tega trenutka naprej so se fotoni lahko prosto gibali v prostoru, praktično brez interakcije s snovjo. Toda ostali so nam "priče" tiste dobe - to so reliktni fotoni. Menijo, da se je reliktno sevanje ohranilo od začetnih faz obstoja vesolja in ga enakomerno napolnjuje. Zaradi nadaljnjega ohlajanja sevanja se je njegova temperatura znižala in je zdaj približno 3 K.
Obstoj CMB je bil teoretično predviden v okviru teorije velikega poka. Velja za eno glavnih potrditev teorije velikega poka.
Ko berete ta članek, sedite, stojite ali ležite in nimate občutka, da se Zemlja vrti okoli svoje osi z vrtoglavo hitrostjo – približno 1.700 km/h na ekvatorju. Vendar se hitrost vrtenja ne zdi tako velika, če jo pretvorimo v km/s. Izkaže se 0,5 km / s - komaj opazna bliskavica na radarju v primerjavi z drugimi hitrostmi okoli nas.
Tako kot drugi planeti v sončnem sistemu tudi Zemlja kroži okoli Sonca. In da ostane v svoji orbiti, se premika s hitrostjo 30 km / s. Venera in Merkur, ki sta bližje Soncu, se gibljeta hitreje, Mars, katerega orbita poteka mimo orbite Zemlje, se giblje veliko počasneje.
A tudi Sonce ne stoji na enem mestu. Naša galaksija Rimska cesta je ogromna, masivna in tudi mobilna! Vse zvezde, planeti, plinski oblaki, prašni delci, črne luknje, temna snov – vse to se giblje relativno glede na skupno središče mase.
Po mnenju znanstvenikov se Sonce nahaja na razdalji 25.000 svetlobnih let od središča naše galaksije in se premika po eliptični orbiti, tako da naredi popolno revolucijo vsakih 220-250 milijonov let. Izkazalo se je, da je hitrost Sonca približno 200-220 km / s, kar je stokrat večja od hitrosti Zemlje okoli svoje osi in desetkrat večja od hitrosti njenega gibanja okoli Sonca. Tako je videti gibanje našega sončnega sistema.
Ali galaksija miruje? Spet ne. Velikanski vesoljski objekti imajo veliko maso in zato ustvarjajo močna gravitacijska polja. Dajte vesolju malo časa (in imeli smo ga - približno 13,8 milijarde let), in vse se bo začelo premikati v smeri največje privlačnosti. Zato vesolje ni homogeno, ampak je sestavljeno iz galaksij in skupin galaksij.
Kaj to pomeni za nas?
To pomeni, da Rimsko cesto k sebi vlečejo druge galaksije in skupine galaksij, ki se nahajajo v bližini. To pomeni, da v tem procesu prevladujejo masivni predmeti. In to pomeni, da ti "traktorji" ne vplivajo samo na našo galaksijo, ampak tudi na vse okoli nas. Vse bližje smo razumevanju, kaj se nam dogaja v vesolju, vendar nam še vedno manjkajo dejstva, npr.
- kakšni so bili začetni pogoji, pod katerimi se je rodilo vesolje;
- kako se različne mase v galaksiji premikajo in spreminjajo skozi čas;
- kako so nastale Rimska cesta in okoliške galaksije ter kopice;
- in kako se zdaj dogaja.
Vendar pa obstaja trik, ki nam bo pomagal ugotoviti.
Vesolje je napolnjeno s kozmičnim mikrovalovnim sevanjem ozadja s temperaturo 2,725 K, ki se je ohranilo od časa velikega poka. Ponekod so majhna odstopanja - približno 100 μK, vendar je splošno temperaturno ozadje konstantno.
To je zato, ker je vesolje nastalo v velikem poku pred 13,8 milijardami let in se še vedno širi in ohlaja.
380.000 let po velikem poku se je vesolje ohladilo na takšno temperaturo, da je postalo mogoče tvoriti atome vodika. Pred tem so fotoni nenehno sodelovali z ostalimi delci plazme: trkali so z njimi in izmenjevali energijo. Ko se vesolje ohlaja, je manj nabitih delcev in več prostora med njimi. Fotoni so se lahko prosto gibali v prostoru. Reliktno sevanje so fotoni, ki jih je plazma oddala proti bodoči lokaciji Zemlje, vendar so se izognili sipanju, saj se je rekombinacija že začela. Zemljo dosežejo skozi vesolje, ki se še naprej širi.
To sevanje lahko "vidite" sami. Motnje, ki nastanejo na praznem televizijskem kanalu, če uporabljate preprosto anteno z zajčjim ušesom, so 1 % zaradi CMB.
Pa vendar temperatura ozadja ni enaka v vseh smereh. Po rezultatih raziskave misije Planck se temperatura na nasprotnih poloblah nebesne sfere nekoliko razlikuje: na območjih neba južno od ekliptike je nekoliko višja - okoli 2,728 K, na drugi polovici pa nižja - okoli 2.722 tisočakov
Zemljevid mikrovalovnega ozadja, narejen s teleskopom Planck. Ta razlika je skoraj 100-krat večja od preostalih opazovanih temperaturnih nihanj CMB in to je zavajajoče. Zakaj se to dogaja? Odgovor je očiten - ta razlika ni posledica nihanj v sevanju ozadja, pojavi se, ker obstaja gibanje!
Ko se viru svetlobe približate ali se on vam približa, se spektralne črte v spektru vira premaknejo proti kratkim valovom (vijolični premik), ko se oddaljite od njega ali se on od vas odmakne, se spektralne črte premaknejo proti dolgim valovom ( rdeči premik).
Reliktno sevanje ne more biti bolj ali manj energijsko, kar pomeni, da se gibljemo skozi prostor. Dopplerjev učinek pomaga ugotoviti, da se naš sončni sistem giblje glede na CMB s hitrostjo 368 ± 2 km/s, lokalna skupina galaksij, vključno z Rimsko cesto, Andromedino galaksijo in galaksijo Trikotnika, pa se giblje pri hitrost 627 ± 22 km/s glede na CMB. To so tako imenovane pekuliarne hitrosti galaksij, ki znašajo več sto km/s. Poleg njih so tu še kozmološke hitrosti zaradi širjenja vesolja in izračunane po Hubblovem zakonu.
Zahvaljujoč preostalemu sevanju velikega poka lahko opazimo, da se vse v vesolju nenehno premika in spreminja. In naša galaksija je le del tega procesa.
Tudi astronomi širjenja vesolja ne razumejo vedno prav. Napihnjen balon je stara, a dobra analogija za širjenje vesolja. Galaksije, ki se nahajajo na površini krogle, so nepremične, toda ko se vesolje širi, se razdalja med njimi povečuje, velikosti samih galaksij pa se ne povečujejo.
Julija 1965 so znanstveniki objavili odkritje očitni znakiširjenje vesolja iz bolj vročega, gostejšega začetnega stanja. Našli so ohlajanje po siju velikega poka - CMB. Od tega trenutka naprej je širjenje in ohlajanje vesolja tvorilo osnovo kozmologije. Kozmološka ekspanzija nam omogoča razumevanje, kako so nastale preproste strukture in kako so se postopoma razvile v kompleksne. 75 let po odkritju širjenja vesolja mnogi znanstveniki ne morejo prodreti v njegov pravi pomen. James Peebles, kozmolog na univerzi Princeton, ki preučuje CMB, je leta 1993 zapisal: "Zdi se mi, da niti strokovnjaki ne vedo, kakšen je pomen in možnosti vročega modela velikega poka."
Znani fiziki, avtorji učbenikov o astronomiji in popularizatorji znanosti včasih dajejo napačno ali izkrivljeno razlago širjenja vesolja, ki je bila osnova modela velikega poka. Kaj mislimo, ko rečemo, da se vesolje širi? Nedvomno zmede in bega dejstvo, da zdaj govorijo o pospeševanju širitve.
PREGLED: KOZMIČNA NAPAKA
* Širjenje vesolja, eden temeljnih konceptov sodobne znanosti, se še vedno različno interpretira.
* Izraza "veliki pok" ne bi smeli jemati dobesedno. Ni bil bomba, ki je eksplodirala v središču vesolja. Bila je eksplozija samega prostora, ki se je zgodila povsod, tako kot površina napihnjenega balon na vroč zrak.
* Razumevanje razlike med širjenjem vesolja in širjenjem vesolja je ključnega pomena za razumevanje velikosti vesolja, hitrosti, s katero se galaksije oddaljujejo, pa tudi možnosti astronomskih opazovanj in narave pospeška širjenja, ki ga bo vesolje verjetno doživelo .
* Model velikega poka opisuje samo tisto, kar se je zgodilo po njem.
Kaj je razširitev?
Ko se nekaj znanega razširi, kot je mokro mesto ali rimski imperij, postanejo večji, njihove meje se premaknejo in začnejo zavzemati večji prostor v prostoru. Toda zdi se, da vesolje nima fizičnih meja in se nima kam premakniti. Širjenje našega vesolja je zelo podobno napihovanju balona. Razdalje do oddaljenih galaksij se povečujejo. Astronomi običajno pravijo, da se galaksije odmikajo ali bežijo od nas, vendar se ne premikajo skozi vesolje kot drobci "bombe velikega poka". V resnici se prostor med nami in galaksijami širi in se kaotično giblje znotraj praktično nepremičnih jat. CMB napolnjuje vesolje in služi kot referenčni okvir, kot je gumijasta površina balona, glede na katero je mogoče meriti gibanje.
Ko smo zunaj žoge, vidimo, da je širjenje njene ukrivljene dvodimenzionalne površine možno le zato, ker je v tridimenzionalnem prostoru. V tretji dimenziji se nahaja središče krogle, njena površina pa se širi v prostornino, ki jo obdaja. Na podlagi tega bi lahko sklepali, da širitev našega tridimenzionalnega sveta zahteva prisotnost četrte dimenzije v vesolju. Toda po Einsteinovi splošni teoriji relativnosti je prostor dinamičen: lahko se širi, krči in upogiba.
Cestni zastoj
Vesolje je samozadostno. Ne potrebuje središča, da bi se razširil iz njega, niti prostega prostora na zunanjosti (kjerkoli že je), da bi se tam razširil. Res je, da nekatere novejše teorije, kot je teorija strun, predvidevajo dodatne dimenzije, vendar te niso potrebne, ko se naše tridimenzionalno vesolje širi.
V našem vesolju, tako kot na površini balona, se vsak predmet oddalji od vseh drugih. Tako Veliki pok ni bil eksplozija v vesolju, temveč eksplozija samega vesolja, ki se ni zgodila na določeni lokaciji in se nato razširila v okoliško praznino. Zgodilo se je povsod hkrati.
KAKŠEN JE BIL VELIKI POK?
NAROBE: Vesolje se je rodilo, ko je materija kot bomba eksplodirala na določenem mestu. Pritisk je bil visok v središču in nizek v okoliški praznini, kar je povzročilo širjenje snovi.
PRAV: Bila je eksplozija samega prostora, ki je spravila materijo v gibanje. Naš prostor in čas sta nastala v velikem poku in se začela širiti. Nikjer ni bilo središča, saj pogoji so bili povsod enaki, padca tlaka, ki je značilen za običajno eksplozijo, ni bilo.
Če si predstavljamo, da film zavrtimo nazaj, bomo videli, kako so vsi predeli vesolja stisnjeni in galaksije konvergirajo, dokler vse skupaj ne trčijo v velikem poku, kot avtomobili v prometnem zamašku. A primerjava ni popolna. Če bi šlo za nesrečo, bi se prometnemu zastoju lahko izognili tako, da bi o tem poslušali poročila po radiu. Toda veliki pok je bil katastrofa, ki se ji ni bilo mogoče izogniti. Kot da bi se površje Zemlje in vse ceste na njej zmečkale, avtomobili pa bi ostali enako veliki. Sčasoma bi avtomobili trčili in nobena količina radijske komunikacije tega ne bi mogla preprečiti. Enako velja za veliki pok: zgodil se je povsod, za razliko od eksplozije bombe, ki se zgodi na določeni točki in se drobci razletijo na vse strani.
Teorija velikega poka nam ne daje informacij o velikosti vesolja ali celo o tem, ali je končno ali neskončno. Teorija relativnosti opisuje, kako se posamezna regija prostora širi, ne pove pa ničesar o velikosti ali obliki. Kozmologi včasih trdijo, da vesolje nekoč ni bilo večje od grenivke, a mislijo le na tisti del, ki ga lahko zdaj opazujemo.
Prebivalci Andromedine meglice ali drugih galaksij imajo lastna opazljiva vesolja. Opazovalci v Andromedi lahko vidijo nam nedostopne galaksije, preprosto zato, ker so jim malo bližje; ne morejo pa razmišljati o tistih, ki jih mi obravnavamo. Tudi njihovo opazovano vesolje je bilo veliko kot grenivka. Lahko si predstavljamo, da je bilo zgodnje vesolje kot kup teh sadežev, ki se je v nedogled raztezal v vse smeri. Torej je predstava, da je bil Veliki pok "majhen", napačna. Prostor vesolja je neomejen. In ne glede na to, kako ga stisnete, bo tako tudi ostalo.
hitreje od svetlobe
Napačne predstave so povezane tudi s kvantitativnim opisom razširitve. Hitrost, s katero se razdalje med galaksijami povečujejo, sledi preprostemu vzorcu, ki ga je identificiral ameriški astronom Edwin Hubble leta 1929: hitrost oddaljevanja galaksije v je neposredno sorazmerna z njeno oddaljenostjo od nas d ali v = Hd. Koeficient sorazmernosti H se imenuje Hubblova konstanta in določa hitrost širjenja prostora tako okoli nas kot okoli katerega koli opazovalca v vesolju.
Nekateri so zmedeni zaradi dejstva, da vse galaksije ne spoštujejo Hubblovega zakona. Nam najbližja velika galaksija (Andromeda) se praviloma premika proti nam in ne stran od nas. Obstajajo tudi takšne izjeme, saj Hubblov zakon opisuje le povprečno obnašanje galaksij. Toda vsak od njih ima lahko majhno lastno gibanje, saj galaksije delujejo druga na drugo gravitacijsko, kot na primer naša galaksija in Andromeda. Tudi oddaljene galaksije imajo majhne kaotične hitrosti, vendar pri dolga razdalja stran od nas (za veliko vrednost d) so te naključne hitrosti zanemarljivo majhne glede na velike hitrosti odstranjevanja (v). Zato je za oddaljene galaksije Hubblov zakon izpolnjen z visoko natančnostjo.
Po Hubblovem zakonu se vesolje ne širi s konstantno hitrostjo. Nekatere galaksije se od nas oddaljujejo s hitrostjo 1 tisoč km / s, druge, ki so dvakrat dlje, s hitrostjo 2 tisoč km / s itd. Tako Hubblov zakon kaže, da se galaksije od določene razdalje, imenovane Hubblova razdalja, oddaljujejo s superluminalno hitrostjo. Za izmerjeno vrednost Hubblove konstante je ta razdalja približno 14 milijard svetlobnih let.
Toda ali Einsteinova teorija posebne relativnosti ne pravi, da noben predmet ne more potovati hitreje od svetlobne hitrosti? To vprašanje je begalo številne generacije študentov. In odgovor je, da je posebna teorija relativnosti uporabna le za »normalne« hitrosti – za gibanje v prostoru. V Hubblovem zakonu pogovarjamo se o hitrosti odstranjevanja, ki jo povzroča samo širjenje prostora in ne gibanje v prostoru. Ta učinek splošne teorije relativnosti ni podvržen posebni teoriji relativnosti. Prisotnost hitrosti odstranjevanja nad svetlobno hitrostjo nikakor ne krši zasebne teorije relativnosti. Še vedno velja, da nihče ne more dohiteti žarka svetlobe.
ALI SE LAHKO GALAKSIJE UMAKAJO S HITROSTJO, VEČJO OD HITROSTI SVETLOBE?
NAROBE: Einsteinova posebna teorija relativnosti to prepoveduje. Razmislite o območju vesolja, ki vsebuje več galaksij. Zaradi njenega širjenja se galaksije od nas oddaljujejo. Dlje kot je galaksija, večja je njena hitrost (rdeče puščice). Če je mejna hitrost svetlobe, bi morala hitrost odstranitve sčasoma postati konstantna.
PRAV: Seveda lahko. Zasebna teorija relativnosti ne upošteva hitrosti odstranitve. Hitrost odstranjevanja neskončno narašča z razdaljo. Nad določeno razdaljo, imenovano Hubblova razdalja, presega svetlobno hitrost. To ni kršitev relativnostne teorije, saj odstranitev ni posledica gibanja v prostoru, temveč širjenja samega prostora.
ALI JE MOGOČE VIDETI GALAKSIJE, KI SE VRAČAJO HITREJE OD SVETLOBE?
NAROBE: Seveda ne. Svetloba iz takih galaksij potuje z njimi. Naj bo galaksija zunaj Hubblove razdalje (krogle), tj. oddaljuje od nas hitreje od svetlobne hitrosti. Oddaja foton (označen z rumeno). Ko foton leti skozi vesolje, se sam prostor širi. Razdalja do Zemlje se povečuje hitreje kot potuje foton. Nikoli nas ne bo dosegel.
PRAV: Seveda lahko, saj se hitrost širjenja s časom spreminja. Sprva je foton zaradi širjenja dejansko odpihnjen. Vendar pa Hubblova razdalja ni konstantna: povečuje se in sčasoma lahko foton pade v Hubblovo kroglo. Ko se bo to zgodilo, bo foton potoval hitreje, kot se Zemlja oddaljuje, in nas bo lahko dosegel.
Raztezanje fotona
Prva opazovanja, ki so pokazala, da se vesolje širi, so bila opravljena med letoma 1910 in 1930. V laboratoriju atomi oddajajo in absorbirajo svetlobo vedno pri določenih valovnih dolžinah. Enako opazimo v spektrih oddaljenih galaksij, vendar s premikom v območje dolgih valovnih dolžin. Astronomi pravijo, da je sevanje galaksije rdeče premaknjeno. Razlaga je preprosta: s širjenjem prostora se svetlobni val raztegne in zato oslabi. Če se je v času, ko nas je svetlobni val dosegel, vesolje podvojilo, potem se je podvojila valovna dolžina in njegova energija je oslabila za polovico.
HIPOTEZA O UTRUJENOSTI
Vsakič, ko revija Scientific American objavi članek o kozmologiji, nam številni bralci napišejo, da menijo, da se galaksije v resnici ne oddaljujejo od nas in da je širjenje vesolja iluzija. Verjamejo, da rdeči premik v spektrih galaksij povzroča nekaj podobnega "utrujenosti" od dolgega potovanja. Neki neznan proces povzroči, da svetloba, ki se širi skozi vesolje, izgubi energijo in se zato obarva rdeče.
Ta hipoteza je stara več kot pol stoletja in je na prvi pogled videti razumna. Vendar je popolnoma v neskladju z opažanji. Na primer, ko zvezda eksplodira kot supernova, se razplamti in nato zatemni. Celoten proces traja približno dva tedna za supernovo tipa, ki ga astronomi uporabljajo za določanje razdalj do galaksij. V tem času supernova oddaja tok fotonov. Hipoteza svetlobne utrujenosti pravi, da bodo fotoni med potovanjem izgubili energijo, vendar bo opazovalec vseeno prejel tok fotonov, ki traja dva tedna.
Vendar pa se pri širjenju prostora ne raztegnejo le fotoni sami (in zato izgubijo energijo), ampak se raztegne tudi njihov tok. Zato traja več kot dva tedna, da vsi fotoni dosežejo Zemljo. Opazovanja potrjujejo ta učinek. Eksplozijo supernove v galaksiji z rdečim premikom 0,5 opazujemo tri tedne, v galaksiji z rdečim premikom 1 pa mesec.
Hipoteza o utrujenosti svetlobe je tudi v nasprotju z opazovanjem spektra CMB in meritvami površinske svetlosti oddaljenih galaksij. Čas je, da "utrujeno luč" (Charles Lineweaver in Tamara Davis) umirimo.
Supernove, kot je ta v jati galaksij Devica, pomagajo meriti kozmično širitev. Njihove opazljive lastnosti izključujejo alternativne kozmološke teorije, v katerih se prostor ne širi.
Postopek lahko opišemo s temperaturo. Fotoni, ki jih oddaja telo, imajo porazdelitev energije, ki je na splošno označena s temperaturo, ki kaže, kako vroče je telo. Ko se fotoni premikajo skozi prostor, ki se širi, izgubljajo energijo in njihova temperatura se zmanjšuje. Torej se vesolje ohlaja, ko se širi. stisnjen zrak, pobeg iz balona potapljača. Na primer, CMB ima zdaj temperaturo okoli 3 K, medtem ko se je rodil pri temperaturi okoli 3000 K. Toda od takrat se je vesolje povečalo za faktor 1000, temperatura fotonov pa se je znižala z istim faktorjem. Z opazovanjem plina v oddaljenih galaksijah astronomi neposredno merijo temperaturo tega sevanja v daljni preteklosti. Meritve potrjujejo, da se vesolje sčasoma ohlaja.
Obstaja tudi nekaj polemik v razmerju med rdečim premikom in hitrostjo. Rdeči premik, ki ga povzroča ekspanzija, se pogosto zamenjuje z bolj znanim rdečim premikom, ki ga povzroča Dopplerjev učinek, zaradi katerega so zvočni valovi običajno daljši, če je vir zvoka odstranjen. Enako velja za svetlobne valove, ki postajajo daljši z oddaljevanjem svetlobnega vira v prostoru.
Dopplerjev rdeči premik in kozmološki rdeči premik sta popolnoma različni stvari in ju opisujeta različni formuli. Prvo izhaja iz posebne teorije relativnosti, ki ne upošteva širjenja prostora, drugo pa iz splošne teorije relativnosti. Ti dve formuli sta skoraj enaki za bližnje galaksije, za oddaljene pa se razlikujeta.
Po Dopplerjevi formuli, če se hitrost predmeta v vesolju približa svetlobni hitrosti, potem njegov rdeči premik teži k neskončnosti, valovna dolžina pa postane prevelika in zato neopazna. Če bi to veljalo za galaksije, bi se najbolj oddaljeni vidni objekti na nebu oddaljevali s hitrostjo, ki je občutno manjša od svetlobne hitrosti. Toda kozmološka formula za rdeči premik vodi do drugačnega zaključka. V okviru standardnega kozmološkega modela se galaksije z rdečim premikom okoli 1,5 (tj. sprejeta valovna dolžina njihovega sevanja je za 50 % večja od laboratorijske vrednosti) oddaljujejo s svetlobno hitrostjo. Astronomi so odkrili že okoli 1000 galaksij z rdečim premikom, večjim od 1,5. Tako poznamo okoli 1000 predmetov, ki se oddaljujejo hitreje od svetlobne hitrosti. CMB prihaja iz še večje razdalje in ima rdeči premik približno 1000. Ko je vroča plazma mladega vesolja oddajala sevanje, ki ga prejemamo danes, se je od nas oddaljevalo s skoraj 50-kratno hitrostjo svetlobe.
Tek na mestu
Težko je verjeti, da lahko vidimo galaksije, ki se premikajo hitreje od svetlobne hitrosti, vendar je to mogoče zaradi spremembe v hitrosti širjenja. Predstavljajte si, da prihaja proti nam žarek svetlobe z razdalje, ki je večja od Hubblove razdalje (14 milijard svetlobnih let). Proti nam se giblje s svetlobno hitrostjo glede na svojo lokacijo, vendar se od nas oddaljuje hitreje od svetlobne hitrosti. Čeprav svetloba drvi proti nam z najvišjo možno hitrostjo, ne more slediti širjenju prostora. To je kot otrok, ki poskuša teči vzvratno po tekočih stopnicah. Fotoni na Hubblovi razdalji se premikajo z največjo hitrostjo, da ostanejo na istem mestu.
Lahko bi pomislili, da nas svetloba iz območij, ki so daljša od Hubblove razdalje, nikoli ne bi mogla doseči in je ne bi nikoli videli. Toda Hubblova razdalja ne ostane enaka, ker se Hubblova konstanta, od katere je odvisna, s časom spreminja. Ta vrednost je sorazmerna s hitrostjo recesije dveh galaksij, deljeno z razdaljo med njima. (Za izračun se lahko uporabi kateri koli dve galaksiji.) V modelih vesolja, ki so skladni z astronomskimi opazovanji, se imenovalec povečuje hitreje kot števec, zato se Hubblova konstanta zmanjšuje. Zato se Hubblova razdalja povečuje. In če je tako, je lahko svetloba, ki nas sprva ni dosegla, sčasoma znotraj Hubblove razdalje. Takrat se bodo fotoni znašli v območju, ki se oddaljuje počasneje od svetlobne hitrosti, nato pa bodo lahko prišli do nas.
ALI JE KOZMIČNI RDEČI PREMIK RES DOPPLERJEV PREMIK?
NAROBE: Da, ker se oddaljujoče se galaksije premikajo skozi vesolje. Pri Dopplerjevem učinku se svetlobni valovi raztegnejo (postanejo bolj rdeči), ko se njihov vir oddaljuje od opazovalca. Valovna dolžina svetlobe se med potovanjem skozi vesolje ne spremeni. Opazovalec sprejme svetlobo, izmeri njen rdeči premik in izračuna hitrost galaksije.
PRAV O: Ne, rdeči premik nima nobene zveze z Dopplerjevim učinkom. Galaksija v vesolju skoraj miruje, zato oddaja svetlobo enake valovne dolžine v vse smeri. Med potovanjem se valovna dolžina daljša, ko se prostor širi. Zato se svetloba postopoma obarva rdeče. Opazovalec sprejme svetlobo, izmeri njen rdeči premik in izračuna hitrost galaksije. Kozmični rdeči premik se razlikuje od Dopplerjevega, kar potrjujejo opazovanja.
Vendar pa se lahko galaksija, ki je poslala svetlobo, še naprej oddaljuje s superluminalno hitrostjo. Tako lahko opazujemo svetlobo galaksij, ki se bodo tako kot doslej vedno oddaljevale hitreje od svetlobne hitrosti. Z eno besedo, Hubblova razdalja ni fiksna in nam ne kaže meja opazovanega vesolja.
In kaj pravzaprav označuje mejo opazovanega prostora? Tudi tukaj je nekaj zmede. Če se vesolje ne bi širilo, bi lahko zdaj najbolj oddaljeni objekt opazovali na razdalji približno 14 milijard svetlobnih let od nas, tj. razdaljo, ki jo je svetloba prepotovala v 14 milijardah let od velikega poka. Ko pa se vesolje širi, se prostor, ki ga prečka foton, med svojim potovanjem razširi. Zato je trenutna razdalja do najbolj oddaljenih opazovanih predmetov približno trikrat večja - približno 46 milijard svetlobnih let.
Kozmologi so mislili, da živimo v vesolju, ki se upočasnjuje in zato lahko opazujemo vedno več galaksij. Vendar pa smo v vesolju, ki se pospešuje, ograjeni z mejo, za katero ne bomo nikoli videli dogajanja - to je kozmično obzorje dogodkov. Če nas doseže svetloba galaksij, ki se oddaljujejo hitreje od svetlobne hitrosti, se bo Hubblova razdalja povečala. Toda v pospešenem vesolju je njegovo povečanje prepovedano. Oddaljeni dogodek lahko pošlje žarek svetlobe v našo smer, vendar bo ta svetloba zaradi pospeševanja širjenja za vedno ostala zunaj Hubblove razdalje.
Kot lahko vidite, pospešeno vesolje spominja na črno luknjo, ki ima tudi obzorje dogodkov, izven katerega ne sprejemamo signalov. Trenutna razdalja do našega obzorja kozmičnega dogajanja (16 milijard svetlobnih let) je v celoti v območju našega opazovanja. Svetloba, ki jo oddajajo galaksije, ki so zdaj onstran kozmičnega obzorja dogodkov, nas nikoli ne bo mogla doseči, ker. razdalja, ki zdaj ustreza 16 milijardam svetlobnih let, se bo prehitro razširila. Videli bomo lahko dogodke, ki so se zgodili v galaksijah, preden so prečkale obzorje, nikoli pa ne bomo izvedeli za kasnejše dogodke.
Ali se vse v vesolju širi?
Ljudje pogosto mislijo, da če se širi prostor, se širi tudi vse v njem. Ampak to ni res. Širjenje kot tako (tj. po vztrajnosti, brez pospeševanja ali zaviranja) ne proizvaja nobene sile. Valovna dolžina fotona narašča z rastjo vesolja, saj za razliko od atomov in planetov fotoni niso povezani objekti, katerih dimenzije so določene z ravnovesjem sil. Spreminjajoča se stopnja širjenja sicer vnese novo silo v ravnotežje, vendar ne more povzročiti širjenja ali krčenja predmetov.
Na primer, če bi se gravitacija okrepila, bi se vaša hrbtenjača skrčila, dokler elektroni v vaši hrbtenici ne bi dosegli novega ravnotežnega položaja, nekoliko bližje drug drugemu. Vaša višina bi se nekoliko zmanjšala, vendar bi se krčenje ustavilo. Podobno, če bi živeli v vesolju, kjer prevladuje gravitacija, kot je večina kozmologov verjela pred nekaj leti, bi se širitev upočasnila in vsa telesa bi bila podvržena rahlemu krčenju, zaradi česar bi dosegla manjšo ravnovesno velikost. Ko pa bi ga dosegli, se ne bi več krčili.
KAKO VELIKO JE OPAZLJIVO VESOLJE?
NAROBE: Vesolje je staro 14 milijard let, zato bi moral njegov opazovani del imeti polmer 14 milijard svetlobnih let.Razmislite o najbolj oddaljeni od opazovanih galaksij - tisti, katere fotoni, ki so bili oddani takoj po velikem poku, so nas dosegli šele zdaj. Svetlobno leto je razdalja, ki jo prepotuje foton v enem letu. To pomeni, da je foton premagal 14 milijard svetlobnih let
PRAV: Ko se prostor širi, ima opazovano območje polmer večji od 14 milijard svetlobnih let. Ko foton potuje, se širi prostor, ki ga prečka. Ko doseže nas, postane razdalja do galaksije, ki jo je oddala, več kot le izračunana iz časa leta – približno trikrat več
Pravzaprav je raztezanje pospešeno, kar je posledica šibke sile, ki »napihne« vsa telesa. Zato so vezani objekti nekoliko večji, kot bi bili v nepospeševalnem vesolju, saj se ravnotežje sil pri njih doseže pri nekoliko večji velikosti. Na zemeljskem površju je zunanji pospešek od središča planeta majhen delček ($10^(–30)$) običajnega gravitacijskega pospeška proti središču. Če je ta pospešek konstanten, potem ne bo povzročil širitve Zemlje. Samo planet potrebuje malo večja velikost kot bi bilo brez odbojne sile.
Toda stvari se bodo spremenile, če pospešek ne bo konstanten, kot menijo nekateri kozmologi. Če se odboj poveča, lahko to sčasoma povzroči uničenje vseh struktur in privede do "velikega razpoka", ki ne bi bil posledica širitve ali pospeševanja samega po sebi, ampak zato, ker bi pospešek pospeševal.
ALI SE OBJEKTI V VESOLJU TUDI ŠIRIJO?
NAROBE: Da. Širjenje povzroči širjenje vesolja in vsega v njem. Razmislite o jati galaksij kot objektu. Ko se vesolje veča, se veča tudi grozd. Meja grozda (rumena črta) se širi.
PRAV: Ne. Vesolje se širi, povezani predmeti v njem pa ne. Sosednje galaksije se najprej oddaljijo, vendar sčasoma njihova medsebojna privlačnost preglasi širjenje. Grozd se oblikuje takšne velikosti, da ustreza njegovemu ravnotežnemu stanju.
Ker nove natančne meritve kozmologom pomagajo bolje razumeti širjenje in pospeševanje, si morda zastavljajo še bolj temeljna vprašanja o najzgodnejših trenutkih in največjih lestvicah vesolja. Kaj je povzročilo širitev? Številni kozmologi menijo, da je za to kriv proces, imenovan "inflacija" (bloat), posebna vrsta pospešenega širjenja. A morda je to le delni odgovor: da se je začelo, se zdi, da se je Vesolje moralo že širiti. In kaj je z največjimi lestvicami zunaj naših opazovanj? Ali se različni deli vesolja različno širijo, tako da je naše vesolje le skromen inflacijski balon v velikanskem supervesolju? Nihče ne ve. Vendar upamo, da bomo sčasoma lahko prišli do razumevanja procesa širjenja vesolja.
O AVTORJIH:
Charles H. Lineweaver in Tamara M. Davis sta astronoma na avstralskem observatoriju Mount Stromlo. V zgodnjih devetdesetih Na kalifornijski univerzi v Berkeleyju je bil Lineweaver del skupine znanstvenikov, ki so s pomočjo satelita COBE odkrili nihanja v CMB. Zagovarjal je disertacijo ne samo iz astrofizike, ampak tudi iz zgodovine in angleške literature. Davis dela na izgradnji vesoljskega observatorija Supernova/Acceleration Probe.
OPOMBE K ČLANKU "PARADOKSI VELIKEGA POKA"
Profesor Zasov Anatolij Vladimirovič, fiz. Fakulteta Moskovske državne univerze: Vsi nesporazumi, s katerimi trdijo avtorji članka, so povezani z dejstvom, da zaradi jasnosti najpogosteje obravnavajo širjenje omejenega obsega vesolja v togem referenčnem okviru (še več, širitev dovolj majhnega območja, da ne upošteva razlike v poteku časa na Zemlji in na oddaljenih galaksijah v Zemljinem referenčnem okviru). Od tod ideja tako o eksploziji kot Dopplerjevem premiku in vsesplošna zmeda s hitrostmi gibanja. Avtorji pa pišejo, in to pravilno, kako vse skupaj izgleda v neinercialnem (prihajajočem) koordinatnem sistemu, v katerem običajno delajo kozmologi, čeprav članek tega neposredno ne pove (načeloma so vse razdalje in hitrosti odvisne od na izbiro referenčnega okvira in tu je vedno nekaj poljubnosti). Edina stvar, ki ni jasno napisana, je, da ni definirano, kaj pomeni razdalja v širijočem se vesolju. Najprej avtorji pravijo, da je to hitrost svetlobe, pomnožena s časom širjenja, nato pa naj bi bilo treba upoštevati tudi širitev, ki je galaksijo še bolj oddaljila, medtem ko je bila svetloba na poti. Tako je razdalja že razumljena kot hitrost svetlobe, pomnožena s časom širjenja, ki bi bil potreben, če bi se galaksija nehala oddaljevati in zdaj oddaja svetlobo. V resnici je vse bolj zapleteno. Razdalja je od modela odvisna količina in je ni mogoče pridobiti neposredno z opazovanji, zato kozmologi brez nje dobro delujejo in jo nadomestijo z rdečim premikom. Morda pa je strožji pristop tukaj neprimeren.