minél távolabb van tőlünk, annál inkább vöröseltolódottnak tűnik a fénye. Egy, a táguló Univerzummal együtt mozgó galaxis ma még több fényévre lesz tőlünk, mint ahány év alatt (a fénysebességgel megszorozva) az általa kibocsátott fény eljutott hozzánk. A vörös- és kékeltolódásokat azonban csak akkor érthetjük meg, ha azokat a mozgásból (speciális relativisztika) és a tér táguló szövetéből (általános relativitáselmélet) eredő hatások kombinációjának tulajdonítjuk. Larry McNish, RASC Calgary Center
Ha a távoli Univerzumba nézünk, több millió, milliárd vagy akár több tízmilliárd fényévre lévő galaxisokkal találkozunk. Átlagosan minél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál gyorsabban tűnik úgy, hogy távolodik tőlünk. Ez akkor mutatkozik meg, amikor a galaxisban jelenlévő csillagok színét, valamint a galaxisra jellemző emissziós és abszorpciós vonalakat nézzük: ezek szisztematikusan a vörös felé tolódnak el.
Egyszer csak olyan messze lévő galaxisokat fogunk látni, amelyek fénye olyan erősen vöröseltolódik, hogy úgy tűnik, hogy egy bizonyos távolságon túl megközelíti, eléri, sőt meg is haladja a fénysebességet. Az a tény, hogy valójában ezt látjuk, megkérdőjelezhet mindent, amit eddig a relativitáselméletről, a fizikáról és az Univerzumról tudni véltél. Pedig amit látsz, az valóságos; ezek a vöröseltolódások nem hazugságok. Íme, mi okozza a távoli galaxisok ilyen erős vöröseltolódását, és mit jelent ez valójában a fénysebességre nézve.
az utazó számára érezhetően másképp telik, mint az állandó vonatkoztatási rendszerben maradó személy számára. Az órákat (idő) és a vonalzókat (távolság) azonban csak az Univerzumban ugyanazon eseménynél (vagy térbeli és időbeli koordináták halmazánál) tartózkodó megfigyelők között lehet összehasonlítani; a bármilyen távolsággal elválasztott megfigyelőknek is számolniuk kell a téridő nem lapos, nem statikus tulajdonságaival. Ikerparadoxon, via http://www.twin-paradox.com/
A relativitáselméletről a legtöbb ember azt hiszi, hogy érti, de fontos, hogy óvatosak legyünk, mert Einstein elméletét milyen könnyen félre lehet érteni. Igen, igaz, hogy az Univerzumban lévő objektumok számára létezik egy végső sebesség: a fény sebessége vákuumban, c, azaz 299,792,458 m/s. Csak a nulla tömegű részecskék mozoghatnak ezzel a sebességgel; bármi, aminek valódi, pozitív tömege van, csak a fénysebességnél lassabban mozoghat.
De amikor arról beszélünk, hogy a fénysebesség korlátozza őket, akkor hallgatólagosan teszünk egy olyan feltételezést, amit a legtöbben nem vesznek észre: arról beszélünk, hogy egy objektum egy másikhoz képest mozog a téridő ugyanazon eseményénél, vagyis az idő ugyanazon pillanatában ugyanazon a térbeli helyen vannak. Ha két, egymástól eltérő téridő-koordinátájú objektumról van szó, akkor egy másik tényező is játékba kerül, amit semmiképpen sem lehet figyelmen kívül hagyni.
és a Naprendszerünkben lévő Napot figyelembe kell venni minden olyan megfigyelésnél, amelyet egy űrhajó vagy más megfigyelőberendezés végez. Az általános relativitáselmélet hatásait, még a finomabbakat is, nem lehet figyelmen kívül hagyni az űrkutatástól a GPS műholdakon át a Nap közelében elhaladó fényjelekig terjedő alkalmazásokban. NASA/JPL-Caltech, a Cassini-misszióhoz
A speciális relativisztikus mozgáson kívül, amely ahhoz a téridő-koordinátához képest történik, amelyben éppen tartózkodunk, van egy olyan hatás is, amely csak akkor jelentkezik, ha az általános relativitáselméletben kezdünk gondolkodni: magának a téridőnek a görbülete és fejlődése.
Míg a speciális relativitáselmélet csak görbület nélküli, statikus térben zajlik, a valódi Univerzumban van anyag és energia. Az anyag/energia jelenléte azt jelenti, hogy a téridőnkben lévő objektumok nem lehetnek statikusak és változatlanok, hanem térbeli helyzetük az idő múlásával fejlődik, ahogy maga a téridő szövete is fejlődik. Ha egy nagy tömeg, például egy csillag vagy egy fekete lyuk közelében vagyunk, a tér görbülni fog, így a tömeg felé történő gyorsulást fogunk tapasztalni. Ez még akkor is megtörténik, ha magához a tér szövetéhez képest nincs mozgás; a tér úgy viselkedik, mint egy áramló folyó vagy egy mozgó sétány, és áramlás közben magával ránt minden tárgyat.
Schwarzschild-féle fekete lyuk, a tér úgy áramlik, mint egy mozgó sétaút vagy egy vízesés, attól függően, hogyan akarjuk elképzelni. Az eseményhorizonton, még ha fénysebességgel futnál (vagy úsznál), akkor sem tudnád legyőzni a téridő áramlását, ami magával ránt a középpontban lévő szingularitásba. Az eseményhorizonton kívül azonban más erők (például az elektromágnesesség) gyakran képesek legyőzni a gravitáció vonzását, és így még az infinális anyag is el tud menekülni. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado
Az anyaggal nagyjából egyenletesen feltöltött Univerzumban, különösen a legnagyobb léptékeken, a téridőben végbemenő változások a teljes megfigyelhető Univerzum léptékén érvényesülnek. Pontosabban, egy mind homogén (minden helyen azonos), mind izotróp (minden irányban azonos) módon kitöltött Univerzum nem maradhat statikus, hanem vagy tágulnia vagy összehúzódnia kell.
Amikor Alexander Friedmann 1922-ben először vezette le az ezt a megoldást megkövetelő egyenleteket, kevés figyelmet fordítottak rá. Öt évvel később, teljesen függetlenül, Georges Lemaître ugyanerre a megoldásra jutott, amit azonnal elküldött magának Einsteinnek. Miután megkapta, Einstein nem talált hibát a munkában, de nem tudta elfogadni a következtetést, és közismerten kijelentette: “a számításai helyesek, de a fizikája förtelmes”. De az ő fizikája nem volt förtelmes; ez volt a kulcs az Univerzum megfejtéséhez.”
ragyog a csillagközi felhőkön keresztül. A változócsillagoknak számos fajtája létezik; az egyik, a Cepheid-változók a saját galaxisunkban és az akár 50-60 millió fényévre lévő galaxisokban is mérhetők. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy a saját galaxisunktól a világegyetem sokkal távolabbi galaxisaiig extrapoláljuk a távolságokat. Az egyedi csillagok más osztályai, mint például az AGB csúcsán lévő csillag vagy az RR Lyrae változó, felhasználhatók a Cepheidák helyett, hasonló eredményeket és ugyanazt a kozmikus rejtélyt adva a tágulási sebességgel kapcsolatban. A NASA, az ESA és a Hubble Heritage Team
Nagyjából ugyanebben az időben – az 1910-es és 1920-as években – a csillagászok éppen akkor szerezték meg a technikai kapacitást, hogy két kulcsfontosságú mérést végezzenek halvány, távoli objektumokról.
- A spektroszkópia technikájával – ahol egy objektum fényét az egyes hullámhosszakra lehet bontani – a csillagászok azonosítani tudták bizonyos atomok biztos kézjegyét: a meghatározott hullámhosszakon előforduló elnyelési és kibocsátási vonalakat. Ezeknek a spektrális vonalaknak a szisztematikus eltolódása alapján, akár a vörös, akár a kék felé, azonos össztényezővel, a csillagászok meg tudták mérni egy távoli objektum, például egy galaxis teljes vöröseltolódását (vagy kékeltolódását).
- A távoli objektum sajátos tulajdonságainak azonosításával, amelyek a belső tulajdonságairól árulkodnak, mint például egy csillag belső fényessége vagy egy galaxis tényleges mérete, valamint a látszólagos fényessége vagy látszólagos szögátmérője, a csillagászok ezután következtetni tudtak az objektum távolságára.
az általunk megfigyelt objektumok bizonyos atomok, ionok vagy molekulák elnyelésének vagy kibocsátásának spektrális jeleit mutatják, de szisztematikus eltolódással a fényspektrum vörös vagy kék vége felé. A Hubble távolságméréseivel kombinálva ezek az adatok adták az Univerzum tágulásának kezdeti gondolatát: minél távolabb van egy galaxis, annál nagyobb a fényének vöröseltolódása. Vesto Slipher (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403
A két megfigyelési sorozat kombinálásával, amit a tudósok az 1920-as évek vége felé kezdtek el végezni, egyértelmű minta rajzolódott ki: minél messzebbre mértek egy galaxis távolságát, annál nagyobb vöröseltolódást mértek neki. Ez csak egy általános tendencia volt, mivel úgy tűnt, hogy az egyes galaxisok további vöröseltolódások és kékeltolódások felülírják ezt az általános tendenciát, de az általános tendencia egyértelmű maradt.
Kifejezetten a megjelenő “extra” vöröseltolódások és kékeltolódások mindig függetlenek a távolságtól, és több tíz, száz és néhány ezer kilométer/másodperc közötti sebességeknek felelnek meg, de nem gyorsabbak. Ha azonban olyan galaxisokat nézünk, amelyek kétszer akkora távolságra vannak, mint egy közelebbi galaxis, akkor az átlagos vöröseltolódás kétszerese a közelebbi galaxisokénak. Tízszeres távolságnál a vöröseltolódás 10-szer akkora. És ez a tendencia folytatódik, ameddig csak hajlandóak vagyunk nézni, millióktól tízmillióktól százmillióktól fényévmilliárdokig.”
az Univerzum tágulása, majd az ezt követő részletesebb, de szintén bizonytalan megfigyelések. Hubble grafikonja egyértelműen mutatja a vöröseltolódás-távolság összefüggést, elődeihez és versenytársaihoz képest jobb adatokkal; a modern megfelelők sokkal messzebbre mennek. Vegyük észre, hogy a különös sebességek mindig jelen maradnak, még nagy távolságok esetén is. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)
Amint látható, a tendencia az, hogy ez a kapcsolat – a mért vöröseltolódás és a távolság között – rendkívüli távolságok esetén is fennáll. A vöröseltolódás-távolság összefüggés, amelyet generációk óta Hubble-törvény néven ismerünk (nemrég Hubble-Lemaître-törvényre módosították), de amelyet egymástól függetlenül Lemaître és Howard Robertson is felfedezett, mielőtt Hubble valaha is publikálta volna, a csillagászatban valaha felfedezett egyik legmegbízhatóbb empirikus összefüggés.
A trend standard értelmezése, beleértve az egyes objektumokhoz tartozó extra vöröseltolódásokat és kékeseltolódásokat is, az, hogy minden objektum vöröseltolódásának és/vagy kékeseltolódásának két része van.
- Az Univerzum általános tágulásának köszönhető komponens, a vöröseltolódás-távolság viszony, felelős a vöröseltolódás nagy részéért, különösen nagy távolságoknál.
- Az egyes galaxisok térbeli mozgásának köszönhető komponens, amely a fő trendvonal tetején lévő “extra” perturbációkért felelős, a tér táguló szövetéhez viszonyított speciális relativisztikus mozgásnak köszönhető.
az Univerzum hozzánk közeli, alulsűrűsödött (kék/fekete) régiói. A vonalak és nyilak a sajátos sebességű áramlások irányát szemléltetik, amelyek a minket körülvevő galaxisok gravitációs nyomását és vonzását jelentik. Mindezek a mozgások azonban a táguló tér szövetébe ágyazódnak, így a mért/megfigyelt vöröseltolódás vagy kékeltolódás a tér tágulásának és egy távoli, megfigyelt objektum mozgásának kombinációja. Cosmography of the Local Universe – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69
A speciális relativisztikus mozgások könnyen érthetőek: a fény hullámhosszának eltolódását okozzák, ugyanúgy, ahogy egy mozgó fagylaltkocsi okozza a fülünkhöz érkező hang hullámhosszának eltolódását. A feléd haladó fagylaltkocsi hanghullámai tömörített, magasabb hangmagasságú módon érkeznek hozzád, a fény kékeltolódásához hasonlóan. Amikor távolodik tőled, több hely van az egyes hullámcsúcsok között, és így mélyebb hangot ad, ami a vöröseltolódásnak felel meg.
A tér tágulása azonban fontosabb szerepet játszik, különösen nagyobb léptékben. Ha a tér szövetét egy tésztagombócnak képzeljük el, benne mazsolákkal (amelyek gravitációsan kötött struktúrákat, például galaxisokat képviselnek), akkor bármelyik mazsola úgy fogja látni, hogy a közeli mazsolák lassan, minden irányban távolodnak. De minél távolabb van egy mazsola, annál gyorsabban tűnik távolodónak, még akkor is, ha a mazsola nem mozog a tésztához képest. A tészta ugyanúgy tágul, mint ahogy a tér szövete is tágul, és mi csak a teljes vöröseltolódást tudjuk szemlélni.”
Univerzummal, ahol a relatív távolságok a tér (tészta) tágulásával nőnek. Minél távolabb van egymástól bármely két mazsola, annál nagyobb lesz a megfigyelt vöröseltolódás, mire a fény beérkezik. A táguló Univerzum által megjósolt vöröseltolódás-távolság összefüggést a megfigyelések igazolják, és összhangban van azzal, amit már az 1920-as évek óta tudunk. NASA / WMAP Science Team
Ha megmérjük a tágulási sebesség értékét, azt találjuk, hogy az kifejezhető a távolságegységenkénti sebességgel. Például a kozmikus távolsági létrából a H0-nak, a tágulási sebességnek egy 73 km/s/Mpc értéket kapunk. (Ahol egy Mpc körülbelül 3,26 millió fényév.) A kozmikus mikrohullámú háttér vagy a nagyméretű struktúra jellemzőinek felhasználásával hasonló, de valamivel alacsonyabb értéket kapunk: 67 km/s/Mpc.
Akárhogy is, van egy kritikus távolság, ahol egy galaxis látszólagos recessziós sebessége meghaladja a fénysebességet: körülbelül 13-15 milliárd fényév távolságban. Ezen túl a galaxisok látszólag gyorsabban távolodnak a fénynél, de ez nem egy tényleges szuperluminális mozgásnak köszönhető, hanem annak, hogy maga a tér tágul, ami a távoli objektumok fényének vöröseltolódását okozza. Ha megvizsgáljuk ennek az összefüggésnek a kifinomult részleteit, egyértelműen megállapíthatjuk, hogy a “mozgás” magyarázat nem felel meg az adatoknak.
magyarázat a vöröseltolódásra/távolságokra (szaggatott vonal) és az általános relativitáselmélet (folytonos) előrejelzései a távolságokra a táguló Univerzumban. Határozottan csak az általános relativitáselmélet előrejelzései egyeznek azzal, amit megfigyelünk. Wikimedia Commons felhasználó Redshiftimprove
Az Univerzum valóban tágul, és az ok, amiért a távoli objektumok fényét olyan erősen vöröseltolódottnak látjuk, a tér táguló szövetének köszönhető, nem pedig a galaxisok térbeli mozgásának. Az igazság az, hogy az egyes galaxisok jellemzően viszonylag lassú sebességgel mozognak a térben: a fénysebesség 0,05%-a és 1,0%-a között, nem több.
De nem kell nagyon nagy távolságokra nézni – 100 millió fényév teljesen elegendő -, hogy a táguló Univerzum hatásai tagadhatatlanná váljanak. A legtávolabbi, számunkra látható galaxisok már több mint 30 milliárd fényévre vannak tőlünk, mivel az Univerzum csak tovább tágul és nyújtja ezt az ultratávoli fényt, mielőtt az eljutna a szemünkhöz. Ahogy a Hubble-korszakból a James Webb-korszakba lépünk, reméljük, hogy ezt a határt még messzebbre tudjuk tolni. Azonban nem számít, hogy milyen messzire leszünk képesek látni, az Univerzum galaxisainak nagy része örökre elérhetetlen marad számunkra.
Az Univerzum azon részei, amelyek a tér tágulásának és az Univerzum energiakomponenseinek köszönhetően olyanok, amilyenek. A megfigyelhető Univerzumunkban lévő galaxisok 97%-a a magenta körön kívül található; ezek ma még elvileg is elérhetetlenek számunkra, bár a fény és a téridő tulajdonságainak köszönhetően mindig láthatjuk őket a múltjukban. E. Siegel, a Wikimedia Commons felhasználók Azcolvin 429 és Frédéric MICHEL
Az Univerzumban egy bizonyos távolságon túl minden galaxis a fénynél nagyobb sebességgel távolodik tőlünk. Még ha ma fénysebességgel bocsátanánk is ki egy fotont, az soha nem érné el az adott távolságon túli galaxisokat. Ez azt jelenti, hogy az ezekben a galaxisokban ma bekövetkező események számunkra soha nem lesznek megfigyelhetők. Ez azonban nem azért van, mert maguk a galaxisok gyorsabban mozognak a fénynél, hanem mert maga a tér szövete tágul.
Az alatt a 7 perc alatt, amíg ezt a cikket olvastad, az Univerzum eléggé kitágult ahhoz, hogy további 15 000 000 csillag átlépte ezt a kritikus távolsági küszöböt, és örökre elérhetetlenné vált. Csak akkor tűnik úgy, hogy gyorsabban mozognak a fénynél, ha ragaszkodunk a vöröseltolódás tisztán speciális relativisztikus magyarázatához, ami ostoba út egy olyan korban, amikor az általános relativitáselmélet jól megerősített. De ez egy még kényelmetlenebb következtetéshez vezet: a megfigyelhető Univerzumunkban található 2 trillió galaxisnak jelenleg csak 3%-a érhető el, még fénysebességgel is.
Ha a lehető legnagyobb mennyiségű Univerzumot szeretnénk felfedezni, nem engedhetjük meg magunknak a késlekedést. Minden egyes múló pillanattal újabb esély csúszik ki örökre a kezünkből az intelligens élettel való találkozásra.
Kövessen a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.
Vélemény, hozzászólás?