Vzdálené galaxie se od nás vzdalují rychlostí větší než světlo

od nás a tím více se její světlo jeví jako červeně posunuté. Galaxie, která se pohybuje spolu s rozpínajícím se vesmírem, bude dnes od nás vzdálena ještě větší počet světelných let, než kolik let (vynásobeno rychlostí světla) trvalo světlu z ní vyzářenému, než k nám dorazilo. Červeným a modrým posuvům však můžeme porozumět pouze tehdy, pokud je přisoudíme kombinaci efektů způsobených jak pohybem (speciální relativistický), tak rozpínáním vesmírné struktury (obecná relativita). Larry McNish z centra RASC v Calgary

Pokud se podíváte do vzdáleného vesmíru, narazíte na galaxie vzdálené miliony, miliardy nebo dokonce desítky miliard světelných let. V průměru platí, že čím dále od vás galaxie je, tím rychleji se od vás zdánlivě vzdaluje. To se projeví, když se podíváte na barvy hvězd přítomných v galaxii a také na emisní a absorpční čáry vlastní samotné galaxii: budou se zdát systematicky posunuté směrem k červené barvě.

Koneckonců začnete pozorovat galaxie, které jsou tak daleko, že světlo z nich bude tak silně posunuté k červené barvě, že se bude zdát, že se blíží, dosahují a dokonce překračují rychlost světla za určitou vzdálenost. Skutečnost, že to skutečně vidíme, vás možná donutí zpochybnit vše, co jste si mysleli, že víte o teorii relativity, fyzice a vesmíru. Přesto je to, co vidíte, skutečné; tyto červené posuvy nejsou lež. Zde se dozvíte, co způsobuje tak výrazný červený posuv těchto vzdálených galaxií a co to skutečně znamená pro rychlost světla.

aby ubíhal znatelně odlišně pro cestovatele oproti osobě, která zůstává v konstantním vztažném rámci. Porovnávat hodiny (čas) a pravítka (vzdálenost) však můžete pouze mezi pozorovateli nacházejícími se ve stejné události (nebo souboru prostorových a časových souřadnic) ve vesmíru; pozorovatelé vzdálení od sebe jakoukoli vzdáleností musí počítat také s neplochými, nestatickými vlastnostmi prostoročasu. Paradox dvojčat, prostřednictvím http://www.twin-paradox.com/

Myšlenka relativity je něco, o čem si většina lidí myslí, že jí rozumí, ale je důležité být opatrný kvůli tomu, jak snadno může být Einsteinova teorie špatně pochopena. Ano, je pravda, že pro objekty ve vesmíru existuje konečná rychlost: rychlost světla ve vakuu, c, neboli 299 792 458 m/s. V tomto případě se jedná o rychlost světla ve vakuu. Touto rychlostí se mohou pohybovat pouze částice s nulovou hmotností; cokoli, co má skutečnou, kladnou hmotnost, se může pohybovat pouze pomaleji, než je rychlost světla.

Když ale mluvíme o tom, že jsme omezeni rychlostí světla, implicitně vycházíme z předpokladu, který si většina z nás neuvědomuje: mluvíme o objektu, který se pohybuje vzhledem k jinému objektu při stejné události v časoprostoru, což znamená, že se nacházejí na stejném prostorovém místě ve stejném časovém okamžiku. Pokud máme dva objekty s různými časoprostorovými souřadnicemi vůči sobě, vstupuje do hry další faktor, který absolutně nelze ignorovat.

a Slunce v naší Sluneční soustavě, musí být brány v úvahu při jakýchkoli pozorováních, která by kosmická loď nebo jiná observatoř prováděla. Vlivy obecné relativity, i ty nejjemnější, nelze ignorovat v aplikacích sahajících od výzkumu vesmíru přes družice GPS až po světelný signál procházející v blízkosti Slunce. NASA/JPL-Caltech, pro misi Cassini

Kromě speciálního relativistického pohybu, který se odehrává vzhledem k časoprostorové souřadnici, kterou právě zaujímáte, existuje také efekt, který se projeví, až když začnete uvažovat v termínech obecné relativity: zakřivení a vývoj samotného časoprostoru.

Zatímco speciální relativita se odehrává pouze v nezakřiveném, statickém prostoru, skutečný vesmír má v sobě hmotu a energii. Přítomnost hmoty/energie znamená, že objekty v našem časoprostoru nemohou být statické a neměnné, ale jejich prostorová poloha se bude s časem vyvíjet tak, jak se vyvíjí samotná struktura časoprostoru. Pokud se nacházíte v blízkosti velké hmoty, například hvězdy nebo černé díry, bude prostor zakřiven tak, že budete pociťovat zrychlení směrem k této hmotě. K tomu dochází i při absenci pohybu vzhledem k samotné struktuře prostoru; prostor se chová jako tekoucí řeka nebo pohybující se chodník a při svém toku s sebou táhne všechny objekty.

Schwarzschildova černá díra, prostor plyne buď jako pohyblivý chodník, nebo jako vodopád, podle toho, jak si to chcete představit. Na horizontu událostí, i kdybyste běželi (nebo plavali) rychlostí světla, nepřekonáte proudění časoprostoru, které vás vtáhne do singularity ve středu. Mimo horizont událostí však mohou jiné síly (například elektromagnetismus) často překonat gravitační přitažlivost a způsobit, že i infalující se hmota unikne. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

Ve vesmíru naplněném hmotou zhruba rovnoměrně, zejména na největších škálách, se změny, kterými časoprostor prochází, uplatňují na škálách celého pozorovatelného vesmíru. Konkrétně vesmír vyplněný jak homogenně (stejně ve všech místech), tak izotropně (stejně ve všech směrech) nemůže zůstat statický, ale musí se buď rozpínat, nebo smršťovat.

Když Alexander Friedmann v roce 1922 poprvé odvodil rovnice, které toto řešení vyžadovaly, byla mu věnována malá pozornost. O pět let později, zcela nezávisle, přišel na stejné řešení Georges Lemaître, který je okamžitě poslal samotnému Einsteinovi. Po jeho obdržení Einstein nenašel na práci žádnou chybu, ale nemohl přijmout její závěr a slavně prohlásil: „Vaše výpočty jsou správné, ale Vaše fyzika je odporná.“ Jeho fyzika však nebyla ohavná; byla klíčem k odhalení vesmíru.

zářící v mezihvězdných mračnech. Proměnných hvězd existuje mnoho druhů; jeden z nich, proměnné cefeidy, lze měřit jak v naší galaxii, tak v galaxiích vzdálených až 50-60 milionů světelných let. To nám umožňuje extrapolovat vzdálenosti z naší galaxie do vzdálenějších galaxií ve vesmíru. Místo cefeid lze použít i jiné třídy jednotlivých hvězd, jako jsou hvězdy na vrcholu AGB nebo proměnné RR Lyrae, a získat tak podobné výsledky a stejnou kosmickou hádanku ohledně rychlosti rozpínání. NASA, ESA a Hubble Heritage Team

Přibližně ve stejné době – v 10. a 20. letech 20. století – astronomové právě získali technickou možnost provádět dvě klíčová měření o slabých, vzdálených objektech.

1. Pomocí techniky spektroskopie, kdy lze světlo z objektu rozložit na jednotlivé vlnové délky, mohli astronomové identifikovat jistý podpis konkrétních atomů: absorpční a emisní čáry, které se vyskytují na určitých vlnových délkách. Na základě systematického posunu těchto spektrálních čar, a to buď směrem k červené, nebo k modré barvě se stejným celkovým faktorem, by astronomové mohli změřit celkový červený posuv (nebo modrý posuv) vzdáleného objektu, například galaxie.
2. Při identifikaci specifických vlastností vzdáleného objektu, které vypovídají o jeho vnitřních vlastnostech, jako je vnitřní jasnost hvězdy nebo skutečná velikost galaxie, stejně jako zdánlivá jasnost nebo zdánlivý úhlový průměr, by pak astronomové mohli odvodit vzdálenost tohoto objektu.

objekty, které pozorujeme, vykazují spektrální znaky absorpce nebo emise konkrétních atomů, iontů nebo molekul, ale se systematickým posunem buď k červenému, nebo modrému konci světelného spektra. V kombinaci s Hubblovými měřeními vzdáleností dala tato data vzniknout původní myšlence rozpínajícího se vesmíru: čím je galaxie vzdálenější, tím větší je její světlo s červeným posuvem. Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403

Kombinací obou souborů pozorování, kterou vědci začali provádět koncem 20. let 20. století, se objevil jasný vzorec: čím větší vzdálenost galaxie byla změřena, tím větší byl její rudý posuv. Jednalo se pouze o obecný trend, protože se ukázalo, že jednotlivé galaxie mají další červené a modré posuvy navrstvené na tento celkový trend, ale obecný trend zůstal jasný.

Konkrétně „dodatečné“ červené a modré posuvy, které se objevují, jsou vždy nezávislé na vzdálenosti a odpovídají rychlostem od desítek přes stovky až po několik tisíc kilometrů za sekundu, ale ne rychleji. Když se však podíváte na galaxie, které jsou ve dvojnásobné vzdálenosti oproti bližším galaxiím, průměrný červený posuv je dvojnásobný oproti bližším galaxiím. Při desetinásobné vzdálenosti je rudý posuv desetkrát větší. A tento trend pokračuje tak daleko, jak daleko jsme ochotni se podívat, od milionů přes desítky milionů až po stovky milionů a miliardy světelných let.“

rozpínání vesmíru, následované následně podrobnějšími, ale také nejistými pozorováními. Hubblův graf jasně ukazuje vztah červeného posuvu a vzdálenosti s lepšími daty než jeho předchůdci a konkurenti; moderní ekvivalenty jdou mnohem dále. Všimněte si, že zvláštní rychlosti zůstávají vždy přítomny, a to i ve velkých vzdálenostech. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)

Jak vidíte, trend je takový, že tento vztah – mezi naměřeným rudým posuvem a vzdáleností – trvá i pro mimořádné vzdálenosti. Vztah mezi červeným posuvem a vzdáleností, po generace známý jako Hubbleův zákon (nedávno revidovaný na Hubbleův-Lemaîtrův zákon), který však nezávisle na sobě objevili Lemaître i Howard Robertson ještě předtím, než jej Hubble publikoval, je jedním z nejpevnějších empirických vztahů, které kdy byly v astronomii objeveny.

Standardní interpretace tohoto trendu, včetně dodatečných červených posuvů a modrých posuvů, které jsou vlastní každému jednotlivému objektu, je taková, že červené posuvy a/nebo modré posuvy každého objektu mají dvě části.

1. Složka, která je způsobena celkovým rozpínáním vesmíru, vztah červeného posuvu a vzdálenosti, je zodpovědná za většinu červených posuvů, zejména ve velkých vzdálenostech.
2. Složka, která je způsobena pohybem každé jednotlivé galaxie vesmírem, která odpovídá za „dodatečné“ poruchy na vrcholu hlavní trendové čáry, je způsobena speciálním relativistickým pohybem vzhledem k rozpínající se struktuře vesmíru.

málo husté (modré/černé) oblasti vesmíru v naší blízkosti. Čáry a šipky znázorňují směr toků zvláštních rychlostí, což jsou gravitační tlaky a tahy na galaxie v našem okolí. Všechny tyto pohyby jsou však zakotveny ve struktuře rozpínajícího se prostoru, takže změřený/pozorovaný rudý nebo modrý posuv je kombinací rozpínání prostoru a pohybu vzdáleného pozorovaného objektu. Kosmografie lokálního vesmíru – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69

Speciální relativistické pohyby jsou snadno pochopitelné: způsobují posun vlnové délky světla stejně, jako pohybující se zmrzlinářský vůz způsobuje posun vlnové délky zvuku, který dorazí k vašemu uchu. Zvukové vlny zmrzlinářského vozu, který se k vám blíží, k vám dorazí stlačené a s vyšším tónem, což je obdoba modrého posuvu světla. Když se od vás vzdaluje, je mezi jednotlivými hřebeny vln více místa, a proto zní s nižším tónem, což je analogické červenému posuvu.

Důležitější roli však hraje rozpínání prostoru, zejména ve větších měřítkách. Představíte-li si strukturu prostoru jako kouli těsta, v níž jsou rozinky (představující gravitačně vázané struktury, jako jsou galaxie), pak každá rozinka bude vnímat okolní rozinky jako pomalu se vzdalující všesměrově. Čím je však rozinka vzdálenější, tím rychleji se zdá, že se vzdaluje, i když se rozinky vzhledem k těstu nepohybují. Těsto se rozpíná stejně, jako se rozpíná tkanina prostoru, a jediné, co můžeme dělat, je pozorovat celkový rudý posuv.

Vesmír, kde relativní vzdálenosti rostou s tím, jak se prostor (těsto) rozpíná. Čím vzdálenější jsou od sebe jakékoliv dvě rozinky, tím větší bude pozorovaný rudý posuv v době přijetí světla. Vztah červeného posuvu a vzdálenosti předpovězený rozpínajícím se vesmírem se potvrzuje v pozorováních a je v souladu s tím, co bylo známo již od dvacátých let minulého století. NASA / vědecký tým WMAP

Pokud změříte hodnotu rychlosti rozpínání, zjistíte, že ji lze vyjádřit jako rychlost na jednotku vzdálenosti. Například z žebříčku kosmických vzdáleností odvodíme hodnotu H0, rychlosti rozpínání, která je 73 km/s/Mpc. (Kde Mpc je asi 3,26 milionu světelných let.) Pomocí kosmického mikrovlnného pozadí nebo vlastností velkorozměrové struktury získáme podobnou, ale o něco nižší hodnotu: 67 km/s/Mpc.

Tak či onak, existuje kritická vzdálenost, kdy zdánlivá rychlost recese galaxie překročí rychlost světla: přibližně vzdálenost 13 až 15 miliard světelných let. Za touto hranicí se zdá, že se galaxie vzdalují rychleji než světlo, ale není to způsobeno skutečným nadsvětelným pohybem, ale spíše tím, že se prostor sám rozpíná, což způsobuje červený posuv světla vzdálených objektů. Když prozkoumáme sofistikované detaily tohoto vztahu, můžeme jednoznačně dojít k závěru, že vysvětlení „pohybu“ neodpovídá datům.

vysvětlení pro rudý posuv/vzdálenosti (tečkovaná čára) a předpovědi obecné relativity (plná čára) pro vzdálenosti v rozpínajícím se vesmíru. Definitivně pouze předpovědi obecné relativity odpovídají tomu, co pozorujeme. Uživatel Wikimedia Commons Redshiftimprove

Vesmír se skutečně rozpíná a důvod, proč vidíme světlo vzdálených objektů jako tak silně rudě posunuté, je způsoben rozpínáním struktury prostoru, nikoliv pohybem galaxií prostorem. Ve skutečnosti se jednotlivé galaxie obvykle pohybují prostorem relativně malou rychlostí: mezi 0,05 % a 1,0 % rychlosti světla, ne více.

Nemusíte se však dívat do příliš velkých vzdáleností – 100 milionů světelných let je naprosto dostačující – než se účinky rozpínání vesmíru stanou nepopiratelnými. Nejvzdálenější galaxie, které jsou pro nás viditelné, se nacházejí již ve vzdálenosti více než 30 miliard světelných let, protože vesmír se prostě stále rozpíná a natahuje toto ultravzdálené světlo, než dorazí k našim očím. S přechodem z éry Hubbla do éry Jamese Webba doufáme, že tuto hranici posuneme ještě dál. Nicméně bez ohledu na to, jak daleko budeme schopni dohlédnout, většina galaxií ve vesmíru bude navždy mimo náš dosah.

části vesmíru, které jsou díky rozpínání prostoru a energetickým složkám vesmíru takové, jaké jsou. 97 % galaxií v námi pozorovatelném vesmíru se nachází mimo purpurový kruh; jsou pro nás dnes nedosažitelné, a to ani v principu, ačkoli je můžeme vždy vidět v jejich minulosti díky vlastnostem světla a prostoročasu. E. Siegel, na základě práce uživatelů Wikimedia Commons Azcolvin 429 a Frédéric MICHEL

Všechny galaxie ve vesmíru za určitou vzdáleností se od nás zřejmě vzdalují rychlostí větší než světlo. I kdybychom dnes vyslali foton rychlostí světla, nikdy nedoletí k žádné galaxii za touto určitou vzdáleností. To znamená, že žádné události, které se dnes v těchto galaxiích odehrávají, nebudou pro nás nikdy pozorovatelné. Není to však proto, že by se samotné galaxie pohybovaly rychleji než světlo, ale spíše proto, že se rozpíná samotná struktura vesmíru.

Za 7 minut, které jste potřebovali k přečtení tohoto článku, se vesmír rozšířil natolik, že dalších 15 000 000 hvězd překročilo tuto kritickou vzdálenost a stalo se navždy nedosažitelnými. Zdá se, že se pohybují rychleji než světlo, pouze pokud trváme na čistě speciálně relativistickém vysvětlení rudého posuvu, což je pošetilá cesta v době, kdy je obecná relativita dobře potvrzena. To však vede k ještě nepříjemnějšímu závěru: ze 2 bilionů galaxií obsažených v našem pozorovatelném vesmíru jsou v současnosti dosažitelná pouze 3 % z nich, a to i při rychlosti světla.

Pokud nám záleží na prozkoumání maximálního možného rozsahu vesmíru, nemůžeme si dovolit otálet. S každým dalším okamžikem nám navždy uniká další šance na setkání s inteligentním životem.

Sledujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo na některé mé další práce zde.