længere væk fra os, og jo mere dens lys virker rødforskydt. En galakse, der bevæger sig med det ekspanderende univers, vil i dag være endnu et større antal lysår væk end det antal år (ganget med lysets hastighed), som det tog det lys, der blev udsendt fra den, at nå os. Men vi kan kun forstå rødforskydninger og blåforskydninger, hvis vi tilskriver dem en kombination af virkninger, der skyldes både bevægelse (speciel relativistisk) og rummets ekspanderende struktur (generel relativitetsteori). Larry McNish fra RASC Calgary Center
Hvis man kigger ud i det fjerne univers, vil man støde på galakser, der er millioner, milliarder eller endog titusindvis af milliarder af lysår væk. I gennemsnit gælder det, at jo længere væk en galakse er fra dig, jo hurtigere vil den tilsyneladende fjerne sig fra dig. Dette viser sig, når man ser på farverne på de stjerner, der er til stede i galaksen, samt på de emissions- og absorptionslinjer, der er indbygget i selve galaksen: de vil se ud til at være systematisk forskudt mod det røde.
Eventuelt vil man begynde at se galakser, der er så langt væk, at lyset fra dem vil være så stærkt rødforskudt, at det vil se ud til, at de nærmer sig, når og endda overskrider lysets hastighed ud over en vis afstand. Det faktum, at det er det, vi faktisk ser, kan få dig til at sætte spørgsmålstegn ved alt det, du troede, du vidste om relativitetsteori, fysik og universet. Alligevel er det, du ser, virkeligt; disse rødforskydninger er ikke løgn. Her er, hvad der gør, at disse fjerne galakser rødforskydes så kraftigt, og hvad det virkelig betyder for lysets hastighed.
at gå mærkbart anderledes for den rejsende end for den person, der forbliver i en konstant referenceramme. Man kan imidlertid kun sammenligne ure (tid) og linealer (afstand) mellem observatører, der befinder sig ved den samme begivenhed (eller det samme sæt af rum- og tidskoordinater) i universet; observatører, der er adskilt af en hvilken som helst afstand, må også regne med rumtidens ikke-flade, ikke-statiske egenskaber. Tvillingparadokset, via
Relativitetsteorien er noget, som de fleste mennesker tror, de forstår, men det er vigtigt at være forsigtig, fordi Einsteins teori så let kan misforstås. Ja, det er rigtigt, at der er en ultimativ hastighed for objekter i universet: lysets hastighed i et vakuum, c, eller 299.792.458 m/s. Kun partikler med nulmasse kan bevæge sig med denne hastighed; alt, der har en reel, positiv masse, kan kun bevæge sig langsommere end lysets hastighed.
Men når vi taler om at være begrænset af lysets hastighed, gør vi implicit en antagelse, som de fleste af os ikke er klar over: Vi taler om et objekt, der bevæger sig i forhold til et andet objekt ved samme begivenhed i rumtiden, hvilket betyder, at de befinder sig på samme rumlige sted på samme tidspunkt i tiden. Hvis man har to objekter med forskellige rumtidskoordinater i forhold til hinanden, er der en anden faktor, der spiller ind, og som absolut ikke kan ignoreres.
og Solen i vores solsystem, skal tages i betragtning ved alle observationer, som et rumfartøj eller et andet observatorium vil foretage. Den generelle relativitetsvirkninger, selv de subtile, kan ikke ignoreres i applikationer, der spænder fra rumforskning til GPS-satellitter til et lyssignal, der passerer nær Solen. NASA/JPL-Caltech, til Cassini-missionen
Ud over den specielle relativistiske bevægelse, som sker i forhold til den rumtidskoordinat, man befinder sig på i øjeblikket, er der også en effekt, som kun dukker op, når man begynder at tænke i termer af generel relativitetsteori: selve rumtidens krumning og udvikling.
Mens den specielle relativitetsteori kun finder sted i et ukrømmet, statisk rum, har det virkelige univers stof og energi i det. Tilstedeværelsen af stof/energi betyder, at objekter i vores rumtid ikke kan være statiske og uforanderlige, men vil se deres rumlige positioner udvikle sig med tiden i takt med, at selve rumtidens stof udvikler sig. Hvis du befinder dig i nærheden af en stor masse, som f.eks. en stjerne eller et sort hul, vil rummet være krumt, så du vil opleve en acceleration mod denne masse. Dette sker selv i fravær af bevægelse i forhold til selve rumvævet; rummet opfører sig som en strømmende flod eller en bevægelig gangbro og trækker alle objekter med sig, mens det flyder.
Schwarzschild sort hul, rummet flyder som enten en bevægelig gangbro eller et vandfald, afhængigt af hvordan man ønsker at visualisere det. Ved begivenhedshorisonten ville man, selv om man løb (eller svømmede) med lysets hastighed, ikke kunne overvinde rumtidens strøm, som trækker en ind i singulariteten i centrum. Uden for begivenhedshorisonten kan andre kræfter (som f.eks. elektromagnetisme) imidlertid ofte overvinde tyngdekraftens tiltrækningskraft, hvilket får selv nedfaldende stof til at slippe væk. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado
I et univers, der er fyldt med stof på en nogenlunde ensartet måde, især på de største skalaer, gælder de ændringer, som rumtiden undergår, på skalaer, der omfatter hele det observerbare univers. Specifikt kan et univers fyldt både homogent (det samme alle steder) og isotropt (det samme i alle retninger) ikke forblive statisk, men må enten udvide sig eller trække sig sammen.
Da Alexander Friedmann først udledte de ligninger i 1922, der krævede denne løsning, blev der kun lagt lidt vægt på det. Fem år senere, helt uafhængigt, kom Georges Lemaître frem til den samme løsning, som han straks sendte til Einstein selv. Da Einstein modtog den, kunne han ikke finde nogen fejl ved arbejdet, men kunne ikke acceptere konklusionen og udtalte som bekendt: “Deres beregninger er korrekte, men Deres fysik er afskyelig”. Men hans fysik var ikke afskyelig; den var nøglen til at låse universet op.
lyser gennem de interstellare skyer. Variable stjerner findes i mange varianter; en af dem, cepheidvariable, kan måles både i vores egen galakse og i galakser op til 50-60 millioner lysår væk. Dette giver os mulighed for at ekstrapolere afstande fra vores egen galakse til langt fjernere galakser i universet. Andre klasser af individuelle stjerner, f.eks. en stjerne på spidsen af AGB eller en RR Lyrae-variabel, kan anvendes i stedet for cepheider, hvilket giver lignende resultater og den samme kosmiske gåde om ekspansionshastigheden. NASA, ESA og Hubble Heritage Team
Omtrent samtidig – i 1910’erne og 1920’erne – havde astronomerne netop fået den tekniske kapacitet til at foretage to vigtige målinger af svage, fjerne objekter.
- Ved hjælp af spektroskopiteknikken, hvor lyset fra et objekt kan opdeles i dets individuelle bølgelængder, kunne astronomerne identificere den sikre signatur af bestemte atomer: Absorptions- og emissionslinjer, der forekommer ved bestemte bølgelængder. Baseret på den systematiske forskydning af disse spektrallinjer, enten mod det røde eller det blå med den samme overordnede faktor, kunne astronomer måle den samlede rødforskydning (eller blåforskydning) af et fjernt objekt, som f.eks. en galakse.
- Gennem at identificere specifikke egenskaber ved et fjernt objekt, der fortæller om dets iboende egenskaber, som f.eks. en stjernes iboende lysstyrke eller en galakses faktiske størrelse, samt den tilsyneladende lysstyrke eller tilsyneladende vinkeldiameter, kunne astronomer derefter udlede afstanden til dette objekt.
de objekter, vi observerer, viser spektrale signaturer af absorption eller emission af bestemte atomer, ioner eller molekyler, men med en systematisk forskydning mod enten den røde eller den blå ende af lysspektret. Når disse data blev kombineret med Hubbles afstandsmålinger, gav de anledning til den første idé om det ekspanderende univers: jo længere væk en galakse er, jo mere rødforskydes dens lys. Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403
Ved at kombinere de to sæt observationer, hvilket forskerne begyndte at gøre i slutningen af 1920’erne, viste der sig et klart mønster: jo længere væk en galakses afstand blev målt, jo større blev dens rødforskydning målt. Dette var blot en generel tendens, da enkelte galakser viste sig at have ekstra rødforskydninger og blåforskydninger, der blev lagt oven i denne overordnede tendens, men den generelle tendens forblev klar.
Specifikt er de “ekstra” rødforskydninger og blåforskydninger, der optræder, altid uafhængige af afstanden, og svarer til hastigheder, der varierer fra titusindvis til hundredevis til nogle få tusinde kilometer i sekundet, men ikke hurtigere. Men når man ser på galakser, der er dobbelt så langt væk som en tættere galakse, er den gennemsnitlige rødforskydning dobbelt så stor som for de tættere galakser. Ved 10 gange så stor afstand er rødforskydningen 10 gange så stor. Og denne tendens fortsætter så langt, som vi er villige til at se, fra millioner til titusindvis af millioner til hundreder af millioner til milliarder af lysår væk.
Universets ekspansion, efterfulgt af efterfølgende mere detaljerede, men også usikre, observationer. Hubbles graf viser klart sammenhængen mellem rødforskydning og afstand med bedre data end hans forgængere og konkurrenter; de moderne ækvivalenter går meget længere. Bemærk, at ejendommelige hastigheder altid forbliver til stede, selv ved store afstande. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)
Som du kan se, er tendensen, at denne sammenhæng – mellem den målte rødforskydning og afstand – fortsætter ved ekstraordinære afstande. Sammenhængen mellem rødforskydning og afstand, der i generationer har været kendt som Hubbles lov (for nylig revideret til Hubble-Lemaître-loven), men som uafhængigt af hinanden blev opdaget af både Lemaître og Howard Robertson, før Hubble nogensinde offentliggjorde den, har været en af de mest robuste empiriske sammenhænge, der nogensinde er opdaget i astronomien.
Standardfortolkningen af denne tendens, herunder de ekstra rødforskydninger og blåforskydninger, der er iboende for hvert enkelt objekt, er, at der er to dele i hvert objekts rødforskydninger og/eller blåforskydninger.
- Den komponent, der skyldes universets samlede udvidelse, rødforskydnings-afstandsrelationen, er ansvarlig for størstedelen af rødforskydningen, især ved store afstande.
- Den komponent, der skyldes hver enkelt galakses bevægelse gennem rummet, som står for de “ekstra” forstyrrelser oven på hovedtrendlinjen, skyldes den speciel relativistiske bevægelse i forhold til rummets ekspanderende struktur.
undertætte (blå/sorte) områder af universet i vores nærhed. Linjerne og pilene illustrerer retningen af de ejendommelige hastighedsstrømme, som er de gravitationelle skub og træk på galakserne omkring os. Alle disse bevægelser er imidlertid indlejret i det ekspanderende rums struktur, så en målt/observeret rødforskydning eller blåforskydning er en kombination af rummets ekspansion og bevægelsen af et fjernt, observeret objekt. Cosmography of the Local Universe – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69
De specielle relativistiske bevægelser er lette at forstå: de forårsager en forskydning i lysets bølgelængde på samme måde, som en isbil i bevægelse forårsager en forskydning i bølgelængden af den lyd, der når frem til dit øre. Isbilen, der bevæger sig mod dig, vil få sine lydbølger til at nå frem til dig på en komprimeret, højere tonehøjde, svarende til et blueshift for lys. Når den bevæger sig væk fra dig, er der mere plads mellem hver bølgetop, og derfor lyder den lavere tonehøjde, svarende til en rødforskydning.
Men rummets udvidelse spiller en vigtigere rolle, især på større skalaer. Hvis man forestiller sig rummets stof som en dejkugle med rosiner rundt omkring (der repræsenterer gravitationelt bundne strukturer som galakser), så vil enhver rosin se de nærliggende rosiner som omnidirektionalt langsomt vigende i alle retninger. Men jo længere væk en rosin er, jo hurtigere synes den at trække sig tilbage, selv om rosinerne ikke bevæger sig i forhold til dejen. Dejen udvider sig, ligesom rummets stof udvider sig, og alt, hvad vi kan gøre, er at se den samlede rødforskydning.
universet, hvor de relative afstande øges, efterhånden som rummet (dejen) udvider sig. Jo længere væk to rosiner er fra hinanden, jo større vil den observerede rødforskydning være, når lyset bliver modtaget. Det forhold mellem rødforskydning og afstand, som forudsiges af det ekspanderende univers, bekræftes af observationer og har været i overensstemmelse med det, man har vidst helt tilbage fra 1920’erne. NASA / WMAP Science Team
Hvis man måler værdien af ekspansionshastigheden, vil man opdage, at den kan udtrykkes i form af en hastighed pr. afstandsenhed. F.eks. ud fra den kosmiske afstandsstige kan vi udlede en værdi af H0, ekspansionshastigheden, som er 73 km/s/Mpc. (Hvor en Mpc er ca. 3,26 millioner lysår.) Ved at bruge den kosmiske mikrobølgebaggrund eller kendetegnene ved storskala struktur fås en lignende, men lidt lavere værdi: 67 km/s/Mpc.
Hver som helst er der en kritisk afstand, hvor en galakses tilsyneladende tilbagetrækningshastighed vil overskride lysets hastighed: omkring en afstand på 13-15 milliarder lysår. Ud over denne afstand synes galakser at trække sig hurtigere tilbage end lyset, men det skyldes ikke en egentlig superluminal bevægelse, men snarere det faktum, at selve rummet udvider sig, hvilket får lyset fra fjerne objekter til at rødforskydes. Når vi undersøger de sofistikerede detaljer i dette forhold, kan vi utvetydigt konkludere, at “bevægelses”-forklaringen ikke passer til dataene.
Forklaring på rødforskydning/afstande (stiplet linje) og den generelle relativitets forudsigelser (solid) for afstande i det ekspanderende univers. Endeligt er det kun den generelle relativitetsteorismes forudsigelser, der stemmer overens med det, vi observerer. Wikimedia Commons-brugeren Redshiftimprove
Universet udvider sig virkelig, og grunden til, at vi ser lyset fra fjerne objekter som så stærkt rødforskudt, skyldes rummets ekspanderende struktur og ikke galaksernes bevægelse gennem rummet. I virkeligheden bevæger de enkelte galakser sig typisk gennem rummet med relativt lave hastigheder: mellem 0,05% og 1,0% af lysets hastighed, ikke mere.
Men man behøver ikke at se på meget store afstande – 100 millioner lysår er helt tilstrækkeligt – før virkningerne af det ekspanderende univers bliver uomtvistelige. De fjerneste galakser, der er synlige for os, befinder sig allerede mere end 30 milliarder lysår væk, da universet bare bliver ved med at udvide sig og strække det ultrafjerne lys, før det når frem til vores øjne. Når vi bevæger os fra Hubble-æraen til James Webb-æraen, håber vi at kunne skubbe denne grænse endnu længere tilbage. Men uanset hvor langt vi bliver i stand til at se, vil de fleste af universets galakser for altid være uden for vores rækkevidde.
dele af universet, som er, som de er, takket være rummets udvidelse og universets energikomponenter. 97% af galakserne i vores observerbare univers befinder sig uden for den magenta cirkel; de er i dag ikke tilgængelige for os, selv i princippet, selv om vi altid kan se dem i deres fortid på grund af lysets og rumtidens egenskaber. E. Siegel, baseret på arbejde udført af Wikimedia Commons-brugerne Azcolvin 429 og Frédéric MICHEL
Alle galakser i universet uden for en vis afstand synes at fjerne sig fra os med hastigheder, der er hurtigere end lysets. Selv hvis vi i dag udsendte en foton med lysets hastighed i dag, vil den aldrig nå frem til nogen galakser uden for en bestemt afstand. Det betyder, at enhver begivenhed, der sker i dag i disse galakser, aldrig vil kunne observeres af os. Det er dog ikke fordi galakserne selv bevæger sig hurtigere end lyset, men snarere fordi selve rumvævet udvider sig.
I de 7 minutter, det tog dig at læse denne artikel, har universet udvidet sig tilstrækkeligt, så yderligere 15.000.000 stjerner har overskredet den kritiske afstandstærskel og bliver for evigt uopnåelige. De ser kun ud til at bevæge sig hurtigere end lyset, hvis vi insisterer på en rent specialrelativistisk forklaring på rødforskydningen, en tåbelig vej at gå i en tid, hvor den generelle relativitetsteori er velbekræftet. Men det fører til en endnu mere ubehagelig konklusion: af de 2 billioner galakser, der findes i vores observerbare univers, er kun 3 % af dem i øjeblikket tilgængelige, selv med lysets hastighed.
Hvis vi ønsker at udforske den størst mulige mængde af universet, har vi ikke råd til at forsinke det. For hvert øjeblik, der går, glider endnu en chance for at møde intelligent liv for evigt uden for vores rækkevidde.
Følg mig på Twitter. Tjek mit websted eller nogle af mine andre værker her.
Skriv et svar