kauempana meistä ja sitä enemmän sen valo näkyy punasiirtyneenä. Laajenevan maailmankaikkeuden mukana liikkuva galaksi on nykyään jopa suuremman määrän valovuosia kauempana kuin se määrä vuosia (kerrottuna valonnopeudella), jonka sen lähettämä valo tarvitsi saavuttaakseen meidät. Voimme kuitenkin ymmärtää punasiirtymiä ja sinisiirtymiä vain, jos katsomme niiden johtuvan sekä liikkeestä (erityinen suhteellisuusteoria) että avaruuden laajenevasta rakenteesta (yleinen suhteellisuusteoria) johtuvien vaikutusten yhdistelmästä. Larry McNish RASC Calgary Centeristä
Jos katsot kaukaiseen maailmankaikkeuteen, kohtaat galakseja, jotka ovat miljoonien, miljardien tai jopa kymmenien miljardien valovuosien päässä. Mitä kauempana galaksi on sinusta, sitä nopeammin se näyttää keskimäärin etääntyvän sinusta. Tämä näkyy, kun tarkastelet galaksissa olevien tähtien värejä sekä itse galaksille ominaisia emissio- ja absorptioviivoja: ne näyttävät siirtyvän systemaattisesti kohti punaista.
Lopulta alat katsella galakseja, jotka ovat niin kaukana, että niiden valo on niin voimakkaasti punasiirtynyttä, että ne näyttävät lähestyvän, saavuttavan ja jopa ylittävän valonnopeuden tietyn etäisyyden jälkeen. Se, että me todella näemme tällaista, saattaa saada sinut kyseenalaistamaan kaiken, mitä luulit tietäväsi suhteellisuusteoriasta, fysiikasta ja maailmankaikkeudesta. Se, mitä näet, on kuitenkin totta; nuo punasiirtymät eivät ole valetta. Tässä kerrotaan, mikä saa nuo kaukaiset galaksit punasiirtymään niin voimakkaasti ja mitä se todella tarkoittaa valonnopeuden kannalta.
kulua tuntuvasti eri tavalla matkustavalle kuin henkilölle, joka pysyttelee vakiossa olevassa viitekehyksessä. Kelloja (aikaa) ja viivoittimia (etäisyyttä) voi kuitenkin verrata vain sellaisten havaitsijoiden välillä, jotka sijaitsevat samassa tapahtumassa (tai avaruudellisten ja ajallisten koordinaattien joukossa) maailmankaikkeudessa; minkä tahansa etäisyyden päässä toisistaan olevien havaitsijoiden on myös otettava huomioon avaruusajan ei-tasaiset, ei-staattiset ominaisuudet. Twin Paradox, via http://www.twin-paradox.com/
Suhteellisuusteorian idean useimmat ihmiset luulevat ymmärtävänsä, mutta on tärkeää olla varovainen, koska Einsteinin teoria voidaan helposti ymmärtää väärin. Kyllä, on totta, että maailmankaikkeuden esineille on olemassa lopullinen nopeus: valon nopeus tyhjiössä, c, eli 299,792,458 m/s. Vain hiukkaset, joiden massa on nolla, voivat liikkua tuolla nopeudella; kaikki, millä on todellinen, positiivinen massa, voi liikkua vain valonnopeutta hitaammin.
Mutta kun puhumme valonnopeuden rajoittamisesta, teemme implisiittisesti olettamuksen, jota useimmat meistä eivät ymmärrä: puhumme objektista, joka liikkuu suhteessa toiseen, joka on samassa tapahtumassa avaruusajassa, mikä tarkoittaa sitä, että ne ovat samassa avaruudellisessa sijainnissa samalla ajanhetkellä. Jos on kaksi kohdetta, joiden avaruusaikakoordinaatit poikkeavat toisistaan, tulee mukaan toinenkin tekijä, jota ei missään nimessä voi jättää huomiotta.
ja Aurinkokuntamme Auringon, on otettava huomioon kaikissa havainnoissa, joita avaruusalus tai muu havaintolaite tekee. Yleisen suhteellisuusteorian vaikutuksia, jopa hienovaraisia vaikutuksia, ei voida jättää huomiotta sovelluksissa, jotka ulottuvat avaruustutkimuksesta GPS-satelliitteihin ja Auringon lähellä kulkevaan valosignaaliin. NASA/JPL-Caltech, Cassini-operaatiota varten
Erityisrelativistisen liikkeen lisäksi, joka tapahtuu suhteessa siihen avaruusaikakoordinaatistoon, jossa parhaillaan oleskelet, on myös vaikutus, joka tulee esiin vasta, kun alat ajatella yleisen suhteellisuusteorian termein: itse avaruusajan kaarevuus ja kehittyminen.
Mikäli erityissuhteellisuusteoriaa noudatetaan vain kaaremattomassa, staattisessa avaruudessa, niin todellisessa maailmankaikkeudessa on aine ja energia. Aineen/energian läsnäolo tarkoittaa, että avaruusaikamme kohteet eivät voi olla staattisia ja muuttumattomia, vaan niiden avaruudelliset sijainnit kehittyvät ajan myötä, kun itse avaruusajan rakenne kehittyy. Jos olet suuren massan, kuten tähden tai mustan aukon, läheisyydessä, avaruus kaartuu niin, että koet kiihtyvyyttä kohti kyseistä massaa. Tämä tapahtuu jopa silloin, kun itse avaruuden kudokseen nähden ei ole liikettä; avaruus käyttäytyy kuin virtaava joki tai liikkuva kävelytie, joka vetää kaikki kappaleet mukanaan virratessaan.
Schwarzschildin mustassa aukossa avaruus virtaa joko liikkuvan kävelytien tai vesiputouksen tavoin, riippuen siitä miten sen haluaa visualisoida. Tapahtumahorisontissa, vaikka juoksisit (tai uisit) valon nopeudella, ei olisi mahdollista voittaa avaruusajan virtausta, joka vetää sinut keskellä olevaan singulariteettiin. Tapahtumahorisontin ulkopuolella muut voimat (kuten sähkömagnetismi) voivat kuitenkin usein voittaa painovoiman vetovoiman, jolloin jopa inflaatiossa oleva aine pääsee pakenemaan. Andrew Hamilton / JILA / Coloradon yliopisto
Yliopistossa, joka on suurin piirtein tasaisesti täynnä ainetta, erityisesti suurimmissa mittakaavoissa, muutokset, joita avaruusaika kokee, koskevat koko havaittavan maailmankaikkeuden mittakaavoja. Tarkemmin sanottuna sekä homogeenisesti (kaikissa paikoissa sama) että isotrooppisesti (kaikissa suunnissa sama) täytetty maailmankaikkeus ei voi pysyä staattisena, vaan sen on joko laajennuttava tai supistuttava.
Kun Alexander Friedmann johdatti vuonna 1922 ensimmäisen kerran yhtälöt, jotka vaativat tätä ratkaisua, siihen kiinnitettiin vähän huomiota. Viisi vuotta myöhemmin Georges Lemaître päätyi täysin itsenäisesti samaan ratkaisuun, jonka hän lähetti välittömästi itse Einsteinille. Saatuaan sen Einstein ei löytänyt teoksesta mitään vikaa, mutta ei voinut hyväksyä sen johtopäätöstä, vaan totesi tunnetusti: ”Laskelmasi ovat oikein, mutta fysiikkasi on kammottavaa”. Mutta hänen fysiikkansa ei ollut kammottavaa; se oli avain maailmankaikkeuden avaamiseen.
loistaa tähtienvälisen pilven läpi. Muuttuvia tähtiä on monenlaisia; yhtä niistä, kefeidimuuttujia, voidaan mitata sekä omassa galaksissamme että jopa 50-60 miljoonan valovuoden päässä sijaitsevissa galakseissa. Näin voimme ekstrapoloida etäisyyksiä omasta galaksistamme paljon kaukaisempiin galakseihin maailmankaikkeudessa. Kefeidien sijasta voidaan käyttää muita yksittäisten tähtien luokkia, kuten AGB:n kärjessä olevaa tähteä tai RR Lyrae -muuttujaa, jolloin saadaan samankaltaisia tuloksia ja sama kosminen pulma laajenemisnopeudesta. NASA, ESA ja Hubble Heritage Team
Juuri samoihin aikoihin – 1910- ja 1920-luvuilla – tähtitieteilijät olivat juuri saaneet tekniset valmiudet tehdä kaksi keskeistä mittausta himmeistä, kaukaisista kohteista.
- Käyttämällä spektroskopiatekniikkaa, jossa kohteen valo voidaan jakaa yksittäisiin aallonpituuksiinsa, tähtitieteilijät pystyivät havaitsemaan erityisten atomien varmat tunnusmerkit: absorptio- ja emissioviivat, jotka esiintyvät tietyillä aallonpituuksilla. Näiden spektriviivojen systemaattisen siirtymisen perusteella joko kohti punaista tai sinistä samalla kokonaiskertoimella tähtitieteilijät voisivat mitata kaukaisen kohteen, kuten galaksin, täydellisen punasiirtymän (tai sinisiirtymän).
- Tunnistamalla kaukaisen kohteen erityisominaisuuksia, jotka kertovat sen luontaisista ominaisuuksista, kuten tähden luontaisesta kirkkaudesta tai galaksin todellisesta koosta sekä näennäisestä kirkkaudesta tai kulmahalkaisijasta, tähtieteilijät pystyisivät sen jälkeen päättelemään etäisyyden kyseiseen kohteeseen.
havainnoimissamme objekteissa näkyy tiettyjen atomien, ionien tai molekyylien absorption tai emission spektrisiä merkkejä, mutta niiden spektrissä on systemaattinen siirtymä valospektrin punaiseen tai siniseen päähän. Yhdistettynä Hubblen etäisyysmittauksiin nämä tiedot synnyttivät alkuperäisen ajatuksen maailmankaikkeuden laajenemisesta: mitä kauempana galaksi on, sitä enemmän sen valo on punasiirtynyt. Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403
Yhdistämällä molemmat havaintosarjat, mitä tutkijat alkoivat tehdä 1920-luvun loppupuolella, ilmeni selvä kaava: mitä kauempana olevan galaksin etäisyys mitattiin, sitä suurempi sen punasiirtymä mitattiin olevan. Tämä oli vain yleinen suuntaus, sillä yksittäisillä galakseilla näytti olevan ylimääräisiä punasiirtymiä ja sinisiirtymiä tämän yleisen suuntauksen päälle, mutta yleinen suuntaus pysyi selvänä.
Kohtaisesti ”ylimääräiset” punasiirtymät ja sinisiirtymät, jotka näkyvät, ovat aina etäisyydestä riippumattomia, ja ne vastaavat nopeuksia, jotka vaihtelevat kymmenistä sadoista muutamiin tuhansiin kilometreihin sekunnissa, mutteivät yhtään nopeampia. Kuitenkin, kun tarkastellaan galakseja, joiden etäisyys on kaksinkertainen lähempään galaksiin verrattuna, keskimääräinen punasiirtymä on kaksinkertainen lähempään galaksiin verrattuna. Kymmenkertaisella etäisyydellä punasiirtymä on kymmenkertainen. Ja tämä suuntaus jatkuu niin kauas kuin olemme valmiita katsomaan, miljoonien, kymmenien miljoonien, satojen miljoonien, satojen miljoonien ja miljardien valovuosien päähän.”
maailmankaikkeuden laajeneminen, jota seurasivat myöhemmin yksityiskohtaisemmat, mutta myös epävarmat havainnot. Hubblen kuvaaja osoittaa selvästi punasiirtymä-etäisyys-suhteen paremmilla tiedoilla kuin hänen edeltäjänsä ja kilpailijansa; nykyaikaiset vastineet menevät paljon pidemmälle. Huomaa, että omituisia nopeuksia esiintyy aina, myös suurilla etäisyyksillä. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)
Kuten näette, suuntaus on, että tämä suhde – mitatun punasiirtymän ja etäisyyden välillä – jatkuu poikkeuksellisilla etäisyyksillä. Punasiirtymä-etäisyys-suhde, joka on tunnettu sukupolvien ajan Hubblen lakina (hiljattain tarkistettu Hubble-Lemaîtren laiksi), mutta jonka sekä Lemaître että Howard Robertson löysivät toisistaan riippumatta ennen kuin Hubble koskaan julkaisi sen, on ollut yksi vankimmista empiirisistä suhteista, joita on koskaan löydetty tähtitieteessä.
Vakiintunut tulkinta tästä trendistä, mukaan lukien ylimääräiset punasiirtymät ja sinisiirtymät, jotka ovat luontaisia jokaiselle yksittäiselle kohteelle, on se, että jokaisen kohteen punasiirtymissä ja/tai sinisiirtymissä on kaksi osaa.
- Komponentti, joka johtuu maailmankaikkeuden yleisestä laajenemisesta, eli punasiirtymä-etäisyys-suhde, on vastuussa suurimmasta osasta punasiirtymistä, erityisesti suurilla etäisyyksillä.
- Komponentti, joka johtuu kunkin yksittäisen galaksin liikkeestä avaruudessa, joka selittää ”ylimääräiset” häiriöt pääsuuntaviivan yläpuolella, johtuu erikoisrelativistisesta liikkeestä suhteessa avaruuden laajenevaan kudokseen.
meitä lähellä olevan maailmankaikkeuden alitiheät (sininen/musta) alueet. Viivat ja nuolet havainnollistavat erikoisten nopeusvirtojen suuntaa, jotka ovat meitä ympäröivien galaksien painovoimaisia työntö- ja vetovoimia. Kaikki nämä liikkeet ovat kuitenkin sulautuneet laajenevan avaruuden kudokseen, joten mitattu/havaittu punasiirtymä tai sinisiirtymä on avaruuden laajenemisen ja kaukaisen, havaitun kohteen liikkeen yhdistelmä. Cosmography of the Local Universe – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69
Erikoisrelativistiset liikkeet on helppo ymmärtää: ne aiheuttavat valon aallonpituuden siirtymän samalla tavalla kuin liikkuva jäätelöauto aiheuttaa korviisi saapuvan äänen aallonpituuden siirtymän. Kun jäätelöauto liikkuu sinua kohti, sen ääniaallot saapuvat luoksesi tiivistettyinä ja korkeampina, mikä on analogista valon sinisiirtymän kanssa. Kun jäätelöauto etääntyy sinusta, jokaisen aallonharjan välissä on enemmän tilaa, joten se kuulostaa matalammalta, mikä vastaa punasiirtymää.
Mutta avaruuden laajeneminen on tärkeämmässä roolissa, erityisesti suuremmissa mittakaavoissa. Jos kuvitellaan avaruuden kudos taikinapallona, jossa on kaikkialla rusinoita (jotka edustavat painovoimaisesti sidottuja rakenteita, kuten galakseja), niin mikä tahansa rusina näkee läheisten rusinoiden väistyvän hitaasti kaikkisuuntaisesti. Mutta mitä kauempana rusina on, sitä nopeammin se näyttää etääntyvän, vaikka rusinat eivät liiku taikinaan nähden. Taikina laajenee aivan kuten avaruuden kangas laajenee, ja voimme vain tarkastella kokonaispunasiirtymää.
Maailmankaikkeus, jossa suhteelliset etäisyydet kasvavat tilan (taikinan) laajetessa. Mitä kauempana mitkä tahansa kaksi rusinaa ovat toisistaan, sitä suurempi on havaittu punasiirtymä valon vastaanottamiseen mennessä. Laajenevan maailmankaikkeuden ennustama punasiirtymä-etäisyys-suhde vahvistuu havainnoissa, ja se on ollut yhdenmukainen sen kanssa, mitä on tiedetty aina 1920-luvulta lähtien. NASA / WMAP Science Team
Jos mittaat laajenemisnopeuden arvon, huomaat, että se voidaan ilmaista nopeutena etäisyysyksikköä kohti. Esimerkiksi kosmisen etäisyyden tikapuusta saadaan H0:n eli laajenemisnopeuden arvo, joka on 73 km/s/Mpc. (Mpc on noin 3,26 miljoonaa valovuotta.) Käyttämällä kosmista mikroaaltotaustaa tai suuren mittakaavan rakenteen piirteitä saadaan samankaltainen, mutta hieman alhaisempi arvo: 67 km/s/Mpc.
Kummassakin tapauksessa on olemassa kriittinen etäisyys, jolla galaksin näennäinen taantumisnopeus ylittää valon nopeuden: noin 13-15 miljardin valovuoden päässä. Tätä kauempana galaksit näyttävät etääntyvän valoa nopeammin, mutta tämä ei johdu todellisesta superluminaalisesta liikkeestä, vaan pikemminkin siitä, että avaruus itsessään laajenee, mikä aiheuttaa kaukana olevien kohteiden valon punasiirtymän. Kun tutkimme tämän suhteen hienostuneita yksityiskohtia, voimme yksiselitteisesti päätellä, että ”liike”-selitys ei vastaa dataa.
selitys punasiirtymille/etäisyyksille (katkoviiva) ja yleisen suhteellisuusteorian (yhtenäinen) ennusteet etäisyyksille laajenevassa maailmankaikkeudessa. Ehdottomasti vain yleisen suhteellisuusteorian ennusteet vastaavat sitä, mitä havaitsemme. Wikimedia Commonsin käyttäjä Redshiftimprove
Universumi todella laajenee, ja syy siihen, miksi näemme kaukaisten kohteiden valon niin voimakkaana punasiirtymänä, johtuu avaruuden laajenevasta kudoksesta, ei galaksien liikkeestä avaruudessa. Todellisuudessa yksittäiset galaksit liikkuvat avaruudessa tyypillisesti suhteellisen hitaasti: 0,05-1,0 % valon nopeudesta, ei enempää.
Mutta ei tarvitse katsoa kovin suurille etäisyyksille – 100 miljoonaa valovuotta riittää täysin – ennen kuin laajenevan maailmankaikkeuden vaikutukset tulevat kiistattomiksi. Kaukaisimmat meille näkyvät galaksit sijaitsevat jo yli 30 miljardin valovuoden päässä, koska maailmankaikkeus vain jatkaa laajenemistaan ja venyttää tuota erittäin kaukana olevaa valoa ennen kuin se saapuu silmiimme. Kun siirrymme Hubblen aikakaudesta James Webbin aikakauteen, toivomme voivamme siirtää tätä rajaa vielä kauemmaksi. Riippumatta siitä, kuinka kauas pystymme näkemään, suurin osa maailmankaikkeuden galakseista on kuitenkin ikuisesti ulottumattomissa.
maailmankaikkeuden osat, jotka ovat mitä ovat avaruuden laajenemisen ja maailmankaikkeuden energiakomponenttien ansiosta. 97 % havaittavissa olevaan maailmankaikkeuteemme kuuluvista galakseista on magentanvärisen ympyrän ulkopuolella; ne ovat meille nykyään saavuttamattomissa edes periaatteessa, vaikka voimme aina nähdä ne menneisyydessään valon ja avaruusajan ominaisuuksien ansiosta. E. Siegel, perustuu Wikimedia Commonsin käyttäjien Azcolvin 429 ja Frédéric MICHEL
Kaikki maailmankaikkeuden galaksit tietyn etäisyyden ulkopuolella näyttävät etääntyvän meistä valoa nopeammin. Vaikka lähettäisimme tänään fotonin valonnopeudella, se ei koskaan saavuttaisi yhtään galaksia, joka on tietyn etäisyyden takana. Se tarkoittaa, että emme voi koskaan havaita mitään tapahtumia, jotka tapahtuvat tänään näissä galakseissa. Tämä ei kuitenkaan johdu siitä, että galaksit itsessään liikkuvat valoa nopeammin, vaan pikemminkin siitä, että avaruuden kudos itsessään laajenee.
Seitsemässä minuutissa, jonka luit tämän artikkelin, maailmankaikkeus on laajentunut niin paljon, että toiset 15 000 000 tähteä ovat ylittäneet tuon kriittisen etäisyysrajan, jolloin niistä on tullut ikuisesti tavoittamattomia. Ne näyttävät liikkuvan valoa nopeammin vain, jos pidämme kiinni puhtaasti erikoisrelativistisesta selityksestä punasiirtymälle, mikä on typerä tie aikakaudella, jolloin yleinen suhteellisuusteoria on hyvin vahvistettu. Mutta se johtaa vielä epämiellyttävämpään johtopäätökseen: havaittavaan maailmankaikkeuteemme sisältyvistä kahdesta biljoonasta galaksista vain kolme prosenttia on tällä hetkellä tavoitettavissa edes valonnopeudella.
Jos haluamme tutkia mahdollisimman suuren osan maailmankaikkeudesta, meillä ei ole varaa viivytellä. Jokaisen kuluvan hetken myötä toinen mahdollisuus älyllisen elämän kohtaamiseen liukuu ikuisesti ulottumattomiin.
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu verkkosivuihini tai muihin töihini täällä.
Vastaa