Naslednja stopnja v organizaciji snovi v vesolju so galaksije. Tipičen primer je naša galaksija, Rimska cesta. Vsebuje približno 10 11 zvezd in je oblikovan kot tanek disk z odebelitvijo v sredini.
Na sl. Slika 39 shematično prikazuje strukturo naše galaksije Rimske ceste in kaže položaj Sonca v enem od spiralnih krakov galaksije.
riž. 39. Struktura galaksije Rimska cesta.
Na sl. Slika 40 prikazuje projekcijo na ravnino 16 najbližjih sosedov naše galaksije.
riž. 40. 16 najbližjih sosedov naše galaksije, projiciranih na ravnino. LMC in MMC − Veliki in Mali Magellanovi oblaki
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 držijo skupaj gravitacijsko polje galaksije in temne snovi.
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 – Hubblov parameter.
riž. 41. Originalni Hubblov graf iz dela iz leta 1929.
riž. 42. Hitrost oddaljevanja galaksij glede na razdaljo do Zemlje.
Na sl. 42 v izhodišču koordinat kvadrat prikazuje območje hitrosti galaksij in razdalje do njih, na podlagi katerih je E. Hubble izpeljal razmerje (9).
Hubblovo odkritje je imelo ozadje. Leta 1914 je astronom V. Slipher 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 uspel razrešiti posamezne zvezde v meglici Andromeda. Med temi zvezdami so bile zvezde cefeide, za katere je znano razmerje med obdobjem spremembe sijaja in sijaja.
Poznavanje svetilnosti zvezde in hitrosti zvezde je E. Hubble dobil odvisnost hitrosti odstranitve zvezd iz Osončja glede na razdaljo. Na sl. 41 prikazuje 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 gibanja 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 približuje opazovalcu, se valovne dolžine premaknejo proti krajšim valovnim dolžinam (modri premik). S povečanjem širine porazdelitve spektralne črte je mogoče določiti temperaturo sevalnega predmeta.
Hubble je razdelil galaksije glede na njihovo videz v tri velike razrede:
eliptična (E),
spirala (S),
nepravilno (Ir).
riž. 44. Vrste galaksij (spiralne, eliptične, nepravilne).
Značilnost spiralnih galaksij so spiralni kraki, ki se raztezajo od središča skozi ves zvezdni disk.
Eliptične galaksije so brezstrukturni sistemi eliptične oblike.
Nepravilne galaksije imajo navzven kaotično, grudasto strukturo in nimajo posebne oblike.
Ta klasifikacija galaksij ne odraža le njihove zunanje oblike, ampak tudi lastnosti zvezd v njih.
Eliptične galaksije so sestavljene predvsem iz starih zvezd. V nepravilnih galaksijah glavni prispevek k sevanju prihaja od zvezd, mlajših od Sonca. V spiralnih galaksijah najdemo 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. V spiralnih galaksijah se nastajanje zvezd nadaljuje. V nepravilnih galaksijah nastajanje zvezd poteka enako intenzivno kot 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 proti sredini zgostijo. Jedro starejših zvezd in približno sferični halo (medzvezdni plin, nekatere zvezde in magnetna polja) | ||
Velikima fizikoma preteklosti, I. Newtonu in A. Einsteinu, se je vesolje zdelo statično. Sovjetski fizik A. Friedman je leta 1924 prišel s teorijo "sipanja" galaksij. Friedman je napovedal širjenje vesolja. To je bila revolucionarna revolucija v fizičnem razumevanju našega sveta.
Ameriški astronom Edwin Hubble je raziskoval meglico Andromeda. Do leta 1923 je lahko videl, da je njegovo obrobje kopica 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 ti se nam zdijo kot oddaljeni megleni »oblaki« na nebu, saj posameznih zvezd na tako veliki razdalji preprosto ne moremo videti.
E. Hubble opazil pomemben vidik v pridobljenih podatkih, ki so jih astronomi opazovali že prej, a so jih težko interpretirali. Namreč: opazovana dolžina spektralnih svetlobnih valov, ki jih oddajajo atomi oddaljenih galaksij, je nekoliko večja od dolžin spektralnih valov, ki jih oddajajo isti atomi v zemeljskih laboratorijih. To pomeni, da je v spektru sevanja sosednjih galaksij kvant svetlobe, ki ga odda atom, ko elektron skače iz orbite v orbito, premaknjen po frekvenci proti rdečemu delu spektra v primerjavi s podobnim kvantom, ki ga odda isti atom na Zemlji . Hubble si je dovolil interpretirati to opazovanje kot manifestacijo Dopplerjevega učinka.
Vse opazovane sosednje galaksije se odmikajo od Zemlje, saj skoraj vsi galaktični objekti zunaj Rimske ceste kažejo rdeč spektralni premik, ki je sorazmeren s hitrostjo njihove odstranitve.
Najpomembneje je, da je Hubble lahko primerjal rezultate svojih meritev razdalj do sosednjih galaksij z meritvami njihovih stopenj recesije (na podlagi rdečega premika).
Matematično je zakon formuliran zelo preprosto:
kjer je v hitrost, s katero se galaksija 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, ki so bile odkrite od takrat in so vse bolj oddaljene od Mlečne ceste, ne sodi izven področje uporabe tega zakona.
Torej, glavna posledica Hubblovega zakona:
Vesolje se širi.
Samo tkivo svetovnega prostora se širi. Vsi opazovalci (in ti in jaz nismo 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? Znanstveniki so potrebovali le približno 20 let, da so popolnoma spremenili svoje razumevanje vesolja.
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, vsebovano v zelo majhnem volumnu v primerjavi s sedanjim obsegom vesolja.
Zamisel o vesolju, rojenem iz super-goste grude super vroče snovi in vse odkar se 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 in približni starosti vesolja 400.000 let. Od tega trenutka naprej so se fotoni lahko prosto gibali v vesolju, praktično brez interakcije s snovjo. Še vedno pa imamo "priče" tiste dobe - reliktne fotone. Menijo, da se je kozmično mikrovalovno sevanje ozadja 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 kozmičnega mikrovalovnega sevanja ozadja 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 1700 km/h na ekvatorju. Vendar se hitrost vrtenja ne zdi tako velika, če jo pretvorimo v km/s. Rezultat je 0,5 km/s - komaj opazen meglenec na radarju v primerjavi z drugimi hitrostmi okoli nas.
Tako kot drugi planeti v sončnem sistemu tudi Zemlja kroži okoli Sonca. In da bi ostala v svoji orbiti, se premika s hitrostjo 30 km/s. Venera in Merkur, ki sta bližje Soncu, se gibljeta hitreje, Mars, katerega orbita poteka za Zemljino orbito, 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 giblje po eliptični orbiti, pri čemer naredi popolno revolucijo vsakih 220–250 milijonov let. Izkazalo se je, da je hitrost Sonca približno 200–220 km/s, kar je stokrat več od hitrosti Zemlje okoli svoje osi in desetkrat več od hitrosti njenega gibanja okoli Sonca. Tako je videti gibanje našega sončnega sistema.
Ali galaksija miruje? Ne že spet. Velikanska vesoljska telesa imajo veliko maso in zato ustvarjajo močna gravitacijska polja. Dajte vesolju nekaj časa (in imamo ga že približno 13,8 milijard let) in vse se bo začelo premikati v smeri največje gravitacije. Zato vesolje ni homogeno, temveč ga sestavljajo galaksije in skupine 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 procesu prevladujejo masivni predmeti. In to pomeni, da ti "traktorji" ne vplivajo le 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 vesolje začelo;
- 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 z reliktnim sevanjem s temperaturo 2,725 K, ki se je ohranilo od velikega poka. Tu in tam so majhna odstopanja - okoli 100 μK, vendar je celotno temperaturno ozadje konstantno.
To je zato, ker je vesolje nastalo z velikim pokom 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 postala mogoča tvorba vodikovih atomov. Pred tem so fotoni nenehno komunicirali z drugimi delci plazme: trkali so z njimi in izmenjevali energijo. Ko se je vesolje ohlajalo, je bilo manj nabitih delcev in več prostora med njimi. Fotoni so se lahko prosto gibali v prostoru. CMB sevanje so fotoni, ki jih je plazma oddala proti prihodnji lokaciji Zemlje, vendar so se izognili sipanju, ker 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, ki izgleda kot zajčja ušesa, so v 1 % posledica CMB.
Kljub temu temperatura reliktnega ozadja ni enaka v vseh smereh. Po izsledkih raziskav misije Planck se temperatura na nasprotnih poloblah nebesne sfere nekoliko razlikuje: nekoliko višja je na delih neba južno od ekliptike – približno 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 drugih opazovanih temperaturnih nihanj v CMB in je zavajajoča. Zakaj se to dogaja? Odgovor je očiten - ta razlika ni posledica nihanj kozmičnega mikrovalovnega sevanja ozadja, pojavi se, ker obstaja gibanje!
Ko se viru svetlobe približate ali se on približa vam, 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). ).
Sevanje CMB ne more biti bolj ali manj energijsko, kar pomeni, da se gibljemo skozi prostor. Dopplerjev učinek pomaga ugotoviti, da se naše Osončje giblje glede na CMB s hitrostjo 368 ± 2 km/s, lokalna skupina galaksij, vključno z Rimsko cesto, Andromedino galaksijo in Trikotno galaksijo, pa se giblje s hitrostjo. hitrost 627 ± 22 km/s glede na CMB. To so tako imenovane pekuliarne hitrosti galaksij, ki znašajo nekaj 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 ne razumejo vedno pravilno širjenja vesolja. 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, velikost samih galaksij pa se ne povečuje.
Julija 1965 so znanstveniki objavili odkritje očitni znakiširjenje vesolja iz bolj vročega in gostejšega začetnega stanja. Ugotovili so ohlajanje po siju velikega poka - reliktno sevanje. 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 kozmično mikrovalovno sevanje ozadja, je leta 1993 zapisal: »Zdi se mi, da niti strokovnjaki ne vedo, kakšen je pomen in zmogljivost vročega modela velikega poka.«
Znani fiziki, avtorji učbenikov astronomije in popularizatorji znanosti včasih podajajo napačno ali izkrivljeno razlago širjenja vesolja, ki je bila osnova modela velikega poka. Kaj mislimo, ko rečemo, da se vesolje širi? Vsekakor je zaskrbljujoče, da se zdaj govori o pospeševanju širitve, in to nas pušča v zadregi.
RECENZIJA: KOZMIČNI NESPORAZUM
* Širjenje vesolja, eden temeljnih konceptov sodobne znanosti, je še vedno deležen različnih interpretacij.
* 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 v vesolju je ključnega pomena za razumevanje velikosti vesolja, hitrosti, s katero se galaksije oddaljujejo, pa tudi zmožnosti astronomskih opazovanj in narave pospeška širjenja, za katerega je verjetno, da bo vesolje doživljanje.
* 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, razširijo se njihove meje in začnejo zavzemati več prostora. Toda zdi se, da vesolje nima fizičnih meja in se nikamor ne more premakniti. Širjenje našega vesolja je zelo podobno napihovanju balona. Razdalje do oddaljenih galaksij se povečujejo. Običajno astronomi pravijo, da se galaksije odmikajo ali bežijo od nas, vendar se ne premikajo skozi vesolje, kot drobci "bombe velikega poka". V resnici se širi prostor med nami in galaksijami, ki se kaotično gibljejo znotraj praktično nepremičnih jat. CMB napolnjuje vesolje in služi kot referenčni okvir, kot je gumijasta površina balona, glede na katero je mogoče meriti gibanje.
Zunaj krogle 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. Niti center ni potreben, da bi se razširil iz njega, niti prosti prostor na zunanji strani (kjerkoli že je), da bi se tam razširil. Res je, da nekatere novejše teorije, kot je teorija strun, predpostavljajo prisotnost dodatnih dimenzij, vendar te niso potrebne, ko se naše tridimenzionalno vesolje širi.
V našem vesolju, tako kot na površini balona, se vsak predmet odmakne od vseh drugih. Veliki pok torej 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. Tlak je bil visok v središču in nizek v okoliški praznini, zaradi česar se je snov razpršila.
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 centra, ker... pogoji so bili povsod enaki, ni bilo padca tlaka, značilnega za klasično eksplozijo.
Če si predstavljamo, da predvajamo film v obratnem vrstnem redu, bomo videli, kako so vsa področja vesolja stisnjena, galaksije pa se približujejo, dokler vse skupaj ne trčijo v velikem poku, kot avtomobili v prometnem zamašku. Toda primerjava tukaj ni popolna. Če bi prišlo do nesreče, bi se lahko peljali okoli prometnega zastoja, potem ko bi o tem slišali poročila na 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 nobeno radijsko sporočilo tega ni moglo preprečiti. Enako velja za veliki pok: zgodil se je povsod, za razliko od eksplozije bombe, ki se zgodi na določeni točki in drobci letijo na vse strani.
Teorija velikega poka nam ne pove velikosti vesolja ali niti tega, ali je končno ali neskončno. Teorija relativnosti opisuje, kako se posamezna regija prostora širi, vendar ne pove 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 opazujemo zdaj.
Prebivalci Andromedine meglice ali drugih galaksij imajo lastna opazljiva vesolja. Opazovalci v Andromedi lahko vidijo nam nedostopne galaksije zgolj 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 neskončno raztezal v vse smeri. To pomeni, da je ideja, da je bil Veliki pok "majhen", napačna. Prostor vesolja je neomejen. In ne glede na to, kako ga stisnete, bo tako tudi ostalo.
Hitrejši od svetlobe
Napačne predstave so lahko povezane tudi s kvantitativnim opisom širjenja. Hitrost, s katero se razdalje med galaksijami povečujejo, sledi preprostemu vzorcu, ki ga je odkril ameriški astronom Edwin Hubble leta 1929: hitrost, s katero se galaksija oddaljuje, v, je premosorazmerna njeni oddaljenosti d od nas ali v = Hd. Proporcionalni koeficient H se imenuje Hubblova konstanta in določa hitrost širjenja prostora tako okoli nas kot okoli katerega koli opazovalca v vesolju.
Kar nekatere zmoti, je, da vse galaksije ne spoštujejo Hubblovega zakona. Nam najbližja velika galaksija (Andromeda) se praviloma premika proti nam in ne stran od nas. Do takšnih izjem prihaja, ker Hubblov zakon opisuje le povprečno obnašanje galaksij. Toda vsak od njih ima lahko majhno lastno gibanje, saj galaksije gravitacijsko vplivajo druga na drugo, kot sta naša galaksija in Andromeda. Tudi oddaljene galaksije imajo majhne kaotične hitrosti, toda kdaj dolga razdalja od nas (pri veliki vrednosti d) so te naključne hitrosti zanemarljive glede na velike hitrosti odstranjevanja (v). Zato je za oddaljene galaksije Hubblov zakon zadovoljen 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 se nahajajo 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 samo za "normalne" hitrosti - za gibanje v prostoru. V Hubblovem zakonu govorimo o o hitrosti odstranjevanja, ki jo povzroča samo širjenje prostora in ne gibanje v prostoru. Ta učinek splošne relativnosti ni podvržen posebni relativnosti. Prisotnost hitrosti odstranitve, ki je višja od hitrosti svetlobe, nikakor ne krši posebne teorije relativnosti. Še vedno velja, da nihče ne more dohiteti snopa svetlobe.
ALI SE LAHKO GALAKSIJE ODDALJAJO S HITROSTJO, VEČJO OD SVETLOBNE HITROSTI?
NAROBE: Einsteinova delna teorija relativnosti to prepoveduje. Razmislite o območju vesolja, ki vsebuje več galaksij. Zaradi njenega širjenja se galaksije od nas oddaljujejo. Bolj ko je galaksija oddaljena, večja je njena hitrost (rdeče puščice). Če je mejna hitrost svetlobe, bi morala hitrost odstranitve sčasoma postati konstantna.
PRAV: Seveda lahko. Delna 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 odstranitve ne povzroči gibanje v prostoru, temveč širjenje prostora samega.
ALI JE MOGOČE VIDETI GALAKSIJE, KI GREJO HITREJŠE OD SVETLOBE?
NAROBE: Seveda ne. Svetloba iz takih galaksij odleti z njimi. Naj bo galaksija onkraj Hubblove razdalje (sfere), tj. se 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 se premika foton. Nikoli nas ne bo doseglo.
PRAV: Seveda lahko, saj se hitrost širjenja s časom spreminja. Prvič, foton dejansko odnese ekspanzija. Vendar pa Hubblova razdalja ni konstantna: povečuje se in sčasoma lahko foton vstopi v Hubblovo kroglo. Ko se bo to zgodilo, se bo foton premikal hitreje, kot se oddaljuje Zemlja, 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 daljše valovne dolžine. 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 dvakrat razširilo, potem se je valovna dolžina podvojila, njegova energija pa 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 med potovanjem 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 postopek traja približno dva tedna za supernove 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 potjo 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 sevanja kozmičnega mikrovalovnega ozadja in meritvami površinske svetlosti oddaljenih galaksij. Čas je za upokojitev "utrujene luči" (Charles Lineweaver in Tamara Davis).
Supernove, kot je ta v jati galaksij Devica, pomagajo meriti kozmično širitev. Njihove opažene 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. Tako se vesolje ohlaja, ko se širi, kot stisnjen zrak pobeg iz potapljačevega rezervoarja. Na primer, kozmično mikrovalovno sevanje ozadja ima zdaj temperaturo okoli 3 K, medtem ko se je rodilo pri temperaturi okoli 3000 K. Toda od takrat se je vesolje povečalo za 1000-krat, temperatura fotonov pa se je zmanjšala za enak znesek. 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 glede razmerja 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 se vir zvoka odmakne. 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, različni pa za oddaljene.
Po Dopplerjevi formuli, če se hitrost predmeta v vesolju približa svetlobni hitrosti, potem njegov rdeči premik teži k neskončnosti, valovna dolžina pa postane predolga in zato neopazna. Če bi to veljalo za galaksije, bi se najbolj oddaljeni vidni objekti na nebu oddaljevali s hitrostjo, ki je opazno manjša od svetlobne. Toda kozmološka formula za rdeči premik vodi do drugačnega zaključka. V standardnem kozmološkem modelu se galaksije z rdečim premikom približno 1,5 (tj. domnevna 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. To pomeni, da poznamo približno 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 skoraj 50-krat hitreje od svetlobne hitrosti.
Tek na mestu
Težko je verjeti, da lahko vidimo galaksije, ki se premikajo hitreje od svetlobne hitrosti, vendar je to mogoče zaradi sprememb 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, sama pa se od nas oddaljuje hitreje od svetlobne hitrosti. Čeprav svetloba drvi proti nam kar se da hitro, ne more slediti širjenju prostora. To je kot otrok, ki bi poskušal teči vzvratno po tekočih stopnicah. Fotoni na Hubblovi razdalji potujejo čim hitreje, da ostanejo na istem mestu.
Morda mislite, da nas svetloba iz območij, ki so dlje od Hubblove razdalje, nikoli ne bi mogla doseči in je ne bi nikoli videli. Toda Hubblova razdalja ne ostane konstantna, saj se Hubblova konstanta, od katere je odvisna, spreminja s časom. Ta vrednost je sorazmerna s hitrostjo, s katero se galaksiji oddaljujeta, deljeno z razdaljo med njima. (Za izračun se lahko uporabi kateri koli dve galaksiji.) V modelih vesolja, ki se ujemajo z astronomskimi opazovanji, se imenovalec povečuje hitreje kot števec, zato se Hubblova konstanta zmanjšuje. Posledično se poveča Hubblova razdalja. Če je tako, lahko svetloba, ki nas sprva ni dosegla, sčasoma pride na Hubblovo razdaljo. Nato bodo fotoni končali v območju, ki se bo oddaljevalo počasneje od svetlobne hitrosti, nato pa nas bodo lahko dosegli.
ALI JE KOZMIČNI RDEČI PREMIK RES DOPPLERSKI 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: Ne, rdeči premik nima nobene zveze z Dopplerjevim učinkom. Galaksija je v vesolju skoraj nepremična, zato seva 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 premika, kar potrjujejo opazovanja.
Vendar pa se lahko galaksija, ki je poslala svetlobo, še naprej oddaljuje z nadsvetlobno hitrostjo. Tako lahko opazujemo svetlobo galaksij, ki se bodo tako kot doslej vedno oddaljevale hitreje od svetlobne hitrosti. Skratka, Hubblova razdalja ni fiksna in nam ne kaže meja opazovanega vesolja.
Kaj pravzaprav označuje mejo opazovanega prostora? Tudi tukaj je nekaj zmede. Če se vesolje ne bi širilo, bi zdaj lahko opazovali najbolj oddaljeni objekt 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 oddaljenega opazovanega predmeta 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, zunaj katere ne bomo nikoli videli dogajanja dogodkov - to je kozmično obzorje dogodkov. Če nas doseže svetloba iz 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 svetlobni žarek v našo smer, vendar bo ta svetloba za vedno ostala zunaj Hubblove meje razdalje zaradi pospeševanja širjenja.
Kot vidimo, 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 dlje od kozmičnega obzorja dogodkov, nas nikoli ne bo mogla doseči, ker razdalja, ki trenutno 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 v vesolju vse 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 velikosti so določene z ravnovesjem sil. Spreminjajoča se stopnja širjenja sicer uvede novo silo v ravnovesje, vendar ne more povzročiti širjenja ali krčenja predmetov.
Na primer, če bi gravitacija postala močnejša, 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 kompresija tam ustavila. Na enak način, če bi živeli v vesolju s prevlado gravitacijskih sil, kot je večina kozmologov verjela pred nekaj leti, bi se širitev upočasnila in bi bila vsa telesa podvržena šibkemu stiskanju, zaradi česar bi morala doseči manjše ravnovesje velikost. Ko pa bi ga dosegli, se ne bi več krčili.
KAKO NAJVEČJE JE OPAZLJIVO VESOLJE?
NAROBE: Vesolje je staro 14 milijard let, zato mora imeti njegov opazovani del polmer 14 milijard svetlobnih let.Razmislite o najbolj oddaljeni od opazovanih galaksij - tisti, katere fotoni, oddani takoj po velikem poku, so šele zdaj dosegli nas. Svetlobno leto je razdalja, ki jo prepotuje foton v enem letu. To pomeni, da je foton prepotoval 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, večja, kot bi jo preprosto izračunali iz časa leta – približno trikrat večja
Pravzaprav se širitev pospešuje, kar povzroča šibka sila, ki »napihuje« vsa telesa. Zato so vezani predmeti nekoliko večji, kot bi bili v nepospešenem vesolju, saj dosežejo ravnotežje pri nekoliko večji velikosti. Na površju Zemlje je pospešek, usmerjen navzven, stran od središča planeta, majhen delček ($10^(-30)$) normalnega gravitacijskega pospeška proti središču. Če je ta pospešek konstanten, potem ne bo povzročil širitve Zemlje. Planet le malo sprejme večja velikost kot bi bilo brez odbojne sile.
Toda vse se bo spremenilo, če pospešek ne bo konstanten, kot menijo nekateri kozmologi. Če se odboj poveča, bi to lahko sčasoma povzročilo kolaps vseh struktur in privedlo do "velikega razpoka", ki se ne bi zgodil zaradi širjenja ali pospeševanja samega po sebi, ampak zato, ker bi se pospešek pospešil.
SE TUDI OBJEKTI V VESOLJU ŠIRIJO?
NAROBE: Da. Širjenje povzroči, da se vesolje in vse v njem poveča. Vzemimo jato galaksij kot objekt. Ko vesolje postaja večje, se povečuje tudi grozd. Meja grozda (rumena črta) se širi.
PRAV: Ne. Vesolje se širi, vendar povezani objekti v njem tega ne počnejo. Sosednje galaksije se sprva oddaljujejo, a sčasoma njihova medsebojna privlačnost premaga širjenje. Grozd se oblikuje v velikosti, ki ustreza njegovemu ravnotežnemu stanju.
Ker nove, natančne meritve pomagajo kozmologom bolje razumeti širjenje in pospeševanje, bodo morda lahko postavili 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, posebna vrsta pospešenega širjenja. Morda pa je to le delni odgovor: da se je začelo, se zdi, da se je vesolje moralo že širiti. Kaj pa največja merila, ki presegajo meje 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 odkrili nihanja kozmičnega mikrovalovnega sevanja ozadja s pomočjo satelita COBE. Zagovarjal je disertacijo ne le o astrofiziki, ampak tudi o zgodovini in angleški literaturi. Davis dela na vesoljskem observatoriju, imenovanem Supernova/Acceleration Probe.
OPOMBE K ČLANKU “PARADOKSI VELIKEGA POKA”
Profesor Anatolij Vladimirovič Zasov, fizika. 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 (in širjenje dovolj majhno območje, da ne bi upoštevali razlike v poteku časa na Zemlji in v oddaljenih galaksijah v zemeljskem referenčnem sistemu). Od tod ideja o eksploziji, Dopplerjevem premiku in razširjeni zmedi s hitrostmi gibanja. Avtorji pišejo in prav pišejo, kako vse izgleda v neinercialnem (spremljevalnem) koordinatnem sistemu, v katerem običajno delujejo kozmologi, čeprav članek tega neposredno ne pove (načeloma so vse razdalje in hitrosti odvisne od izbire referenčni sistem in tukaj je vedno nekaj poljubnosti). Edina stvar, ki ni jasno napisana, je, da ni definirano, kaj pomeni razdalja v širijočem se vesolju. Najprej jo imajo avtorji kot svetlobno hitrost, pomnoženo s časom širjenja, nato pa pravijo, da je treba upoštevati tudi širitev, ki je galaksijo med potjo svetlobe še bolj oddaljila. 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 količina, ki je odvisna od modela 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.