mai departe de noi și cu atât mai mult lumina sa apare deplasată spre roșu. O galaxie care se deplasează odată cu expansiunea Universului se va afla, astăzi, la o distanță chiar mai mare de un număr de ani-lumină decât numărul de ani (înmulțit cu viteza luminii) de care a avut nevoie lumina emisă de ea pentru a ajunge la noi. Dar nu putem înțelege deplasările spre roșu și spre albastru decât dacă le atribuim unei combinații de efecte datorate atât mișcării (relativitate specială), cât și țesăturii în expansiune a spațiului (relativitate generală). Larry McNish de la Centrul RASC din Calgary
Dacă priviți în Universul îndepărtat, veți întâlni galaxii care se află la milioane, miliarde sau chiar zeci de miliarde de ani-lumină distanță. În medie, cu cât o galaxie este mai departe de dumneavoastră, cu atât mai repede va părea că se îndepărtează de dumneavoastră. Acest lucru apare atunci când vă uitați la culorile stelelor prezente în cadrul galaxiei, precum și la liniile de emisie și de absorbție inerente galaxiei însăși: acestea vor părea deplasate sistematic spre roșu.
În cele din urmă, veți începe să vedeți galaxii care sunt atât de îndepărtate încât lumina provenită de la ele va fi atât de puternic deplasată spre roșu încât vor părea să se apropie, să atingă și chiar să depășească viteza luminii dincolo de o anumită distanță. Faptul că acest lucru este ceea ce vedem de fapt ar putea să vă facă să puneți la îndoială tot ceea ce credeați că știți despre relativitate, fizică și Univers. Totuși, ceea ce vedeți este real; acele deplasări spre roșu nu sunt o minciună. Iată ce face ca acele galaxii îndepărtate să se deplaseze spre roșu atât de sever și ce înseamnă cu adevărat pentru viteza luminii.
să treacă în mod sensibil diferit pentru călător față de persoana care rămâne într-un cadru de referință constant. Cu toate acestea, nu puteți compara ceasurile (timpul) și riglele (distanța) decât între observatori aflați la același eveniment (sau set de coordonate spațiale și temporale) din Univers; observatorii separați de orice distanță trebuie să țină cont și de proprietățile neplane și nestatice ale spațiu-timpului. Paradoxul gemenilor, via http://www.twin-paradox.com/
Ideea de relativitate este ceva ce majoritatea oamenilor cred că înțeleg, dar este important să fim atenți din cauza ușurinței cu care teoria lui Einstein poate fi înțeleasă greșit. Da, este adevărat că există o viteză ultimă pentru obiectele din Univers: viteza luminii în vid, c, sau 299.792.458 m/s. Doar particulele cu masă zero se pot deplasa cu această viteză; orice lucru care are o masă reală, pozitivă, se poate deplasa doar mai încet decât viteza luminii.
Dar atunci când vorbim despre faptul că suntem limitați de viteza luminii, facem implicit o presupunere pe care cei mai mulți dintre noi nu o realizează: vorbim despre un obiect care se deplasează în raport cu un alt obiect la același eveniment în spațiu-timp, ceea ce înseamnă că se află în aceeași locație spațială în același moment în timp. Dacă aveți două obiecte cu coordonate spațio-temporale diferite unul față de celălalt, intră în joc un alt factor care nu poate fi absolut deloc ignorat.
și Soarele din sistemul nostru solar, trebuie să fie luate în considerare pentru orice observații pe care le-ar face o navă spațială sau un alt observator. Efectele Relativității Generale, chiar și cele subtile, nu pot fi ignorate în aplicații care variază de la explorarea spațială la sateliții GPS și până la un semnal luminos care trece pe lângă Soare. NASA/JPL-Caltech, pentru misiunea Cassini
În plus față de mișcarea relativistă specială, care are loc în raport cu coordonatele spațiu-timp pe care le ocupați în prezent, există, de asemenea, un efect care apare doar atunci când începeți să gândiți în termeni de relativitate generală: curbura și evoluția spațiului-timp însuși.
În timp ce relativitatea specială are loc doar în spațiul static, fără curbură, Universul real are materie și energie în el. Prezența materiei/energiei înseamnă că obiectele din spațiu-timpul nostru nu pot fi statice și neschimbătoare, ci își vor vedea pozițiile spațiale evoluând în timp, pe măsură ce însăși structura spațiu-timpului evoluează. Dacă vă aflați în apropierea unei mase mari, cum ar fi o stea sau o gaură neagră, spațiul va fi curbat, astfel încât veți experimenta o accelerație spre acea masă. Acest lucru se întâmplă chiar și în absența unei mișcări în raport cu țesătura spațiului însuși; spațiul se comportă ca un râu care curge sau ca o pasarelă în mișcare, antrenând toate obiectele odată cu el pe măsură ce curge.
Gaură neagră Schwarzschild, spațiul curge fie ca o pasarelă în mișcare, fie ca o cascadă, în funcție de cum doriți să o vizualizați. La orizontul evenimentelor, chiar dacă ai alerga (sau înota) cu viteza luminii, nu ai putea învinge curgerea spațiu-timpului, care te antrenează în singularitatea din centru. În afara orizontului evenimentelor, însă, alte forțe (cum ar fi electromagnetismul) pot învinge frecvent atracția gravitației, determinând chiar și materia aflată în infimă să scape. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado
Într-un Univers umplut cu materie într-un mod aproximativ uniform, în special la cele mai mari scări, schimbările pe care le suferă spațiu-timpul se aplică la scări ale întregului Univers observabil. Mai exact, un Univers umplut atât omogen (la fel în toate locațiile), cât și izotrop (la fel în toate direcțiile) nu poate rămâne static, ci trebuie fie să se extindă, fie să se contracte.
Când Alexander Friedmann a derivat pentru prima dată, în 1922, ecuațiile care cereau această soluție, i s-a acordat puțină atenție. Cinci ani mai târziu, în mod complet independent, Georges Lemaître a ajuns la aceeași soluție, pe care a trimis-o imediat lui Einstein însuși. După ce a primit-o, Einstein nu a putut găsi nicio greșeală în lucrare, dar nu a putut accepta concluzia acesteia, declarând în mod faimos: „calculele tale sunt corecte, dar fizica ta este abominabilă”. Dar fizica lui nu era abominabilă; era cheia pentru a desluși Universul.
care strălucește prin norii interstelari. Stelele variabile vin în mai multe varietăți; una dintre ele, variabilele Cefeide, poate fi măsurată atât în galaxia noastră, cât și în galaxii aflate la o distanță de până la 50-60 de milioane de ani lumină. Acest lucru ne permite să extrapolăm distanțe de la galaxia noastră la galaxii mult mai îndepărtate din Univers. Alte clase de stele individuale, cum ar fi o stea aflată în vârful AGB sau o variabilă RR Lyrae, pot fi utilizate în locul Cefeidelor, obținându-se rezultate similare și aceeași enigmă cosmică privind rata de expansiune. NASA, ESA și Hubble Heritage Team
Chiar în aceeași perioadă – în anii 1910 și 1920 – astronomii tocmai obținuseră capacitatea tehnică de a face două măsurători cheie despre obiectele slabe și îndepărtate.
- Cu ajutorul tehnicii spectroscopiei, prin care lumina unui obiect poate fi împărțită în lungimi de undă individuale, astronomii au putut identifica semnătura sigură a unor anumiți atomi: linii de absorbție și emisie care apar la anumite lungimi de undă. Pe baza deplasării sistematice a acestor linii spectrale, fie spre roșu, fie spre albastru, cu același factor global, astronomii ar putea măsura deplasarea totală spre roșu (sau deplasarea spre albastru) a unui obiect îndepărtat, cum ar fi o galaxie.
- Prin identificarea proprietăților specifice ale unui obiect îndepărtat care vă spun despre proprietățile sale intrinseci, cum ar fi luminozitatea intrinsecă a unei stele sau dimensiunea reală a unei galaxii, precum și luminozitatea aparentă sau diametrul unghiular aparent, astronomii ar putea apoi să deducă distanța până la acel obiect.
obiectele pe care le observăm prezintă semnăturile spectrale ale absorbției sau emisiei unor anumiți atomi, ioni sau molecule, dar cu o deplasare sistematică fie spre extremitatea roșie, fie spre cea albastră a spectrului luminos. Combinate cu măsurătorile de distanță efectuate de Hubble, aceste date au dat naștere ideii inițiale a Universului în expansiune: cu cât o galaxie este mai îndepărtată, cu atât lumina sa este mai mult deplasată spre roșu. Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403
Combinând ambele seturi de observații, ceea ce oamenii de știință au început să facă spre sfârșitul anilor 1920, a apărut un model clar: cu cât distanța unei galaxii a fost măsurată ca fiind mai mare, cu atât mai mare a fost măsurată deplasarea spre roșu a acesteia. Aceasta era doar o tendință generală, deoarece galaxiile individuale păreau să aibă deplasări spre roșu și deplasări spre albastru suplimentare suprapuse peste această tendință generală, dar tendința generală a rămas clară.
În mod specific, deplasările spre roșu și deplasările spre albastru „suplimentare” care apar sunt întotdeauna independente de distanță și corespund unor viteze care variază de la zeci, sute până la câteva mii de kilometri pe secundă, dar nu mai mari. Cu toate acestea, atunci când vă uitați la galaxiile care se află la o distanță dublă față de o galaxie mai apropiată, deplasarea medie spre roșu este dublă față de cea a galaxiilor mai apropiate. La o distanță de 10 ori mai mare, deplasarea spre roșu este de 10 ori mai mare. Și această tendință continuă atât de departe cât suntem dispuși să ne uităm, de la milioane, zeci de milioane, sute de milioane până la miliarde de ani-lumină distanță.
expansiunea Universului, urmată ulterior de observații mai detaliate, dar și incerte. Graficul lui Hubble arată clar relația deplasare spre roșu-distanță cu date superioare predecesorilor și concurenților săi; echivalentele moderne merg mult mai departe. Rețineți că vitezele particulare rămân întotdeauna prezente, chiar și la distanțe mari. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)
După cum puteți vedea, tendința este că această relație – între deplasarea spre roșu măsurată și distanță – continuă pentru distanțe extraordinare. Relația deplasare spre roșu-distanță, cunoscută de generații întregi sub numele de legea lui Hubble (recent revizuită în legea Hubble-Lemaître), dar descoperită independent atât de Lemaître cât și de Howard Robertson înainte ca Hubble să o fi publicat vreodată, a fost una dintre cele mai solide relații empirice descoperite vreodată în astronomie.
Interpretarea standard a acestei tendințe, incluzând deplasările spre roșu și deplasările spre albastru suplimentare care sunt inerente fiecărui obiect în parte, este că există două părți în deplasările spre roșu și/sau deplasările spre albastru ale fiecărui obiect.
- Componenta care se datorează expansiunii generale a Universului, relația redshift-distanță, este responsabilă pentru cea mai mare parte a deplasării spre roșu, în special la distanțe mari.
- Componenta care se datorează mișcării fiecărei galaxii individuale prin spațiu, care explică perturbațiile „suplimentare” de deasupra liniei principale de tendință, se datorează mișcării relativiste speciale în raport cu țesătura spațială în expansiune.
regiuni subdense (albastru/negru) ale Universului din apropierea noastră. Liniile și săgețile ilustrează direcția fluxurilor de viteze particulare, care reprezintă împingerile și atracțiile gravitaționale asupra galaxiilor din jurul nostru. Cu toate acestea, toate aceste mișcări sunt încorporate în țesătura spațiului în expansiune, astfel încât o deplasare spre roșu sau o deplasare spre albastru măsurată/observată este combinația dintre expansiunea spațiului și mișcarea unui obiect îndepărtat, observat. Cosmography of the Local Universe – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69
Mișcările relativiste speciale sunt ușor de înțeles: ele provoacă o deplasare a lungimii de undă a luminii în același mod în care un camion de înghețată în mișcare provoacă o deplasare a lungimii de undă a sunetului care ajunge la urechea ta. În cazul camionului de înghețată care se îndreaptă spre tine, undele sale sonore vor ajunge la tine într-o manieră comprimată, mai ascuțită, analog cu o deplasare spre albastru a luminii. Atunci când se îndepărtează de dumneavoastră, există mai mult spațiu între fiecare creastă de undă, și astfel sună mai slab, analog unei deplasări spre roșu.
Dar expansiunea spațiului joacă un rol mai important, în special la scări mai mari. Dacă vă imaginați țesătura spațiului ca pe o minge de aluat, cu stafide de-a lungul ei (reprezentând structuri legate gravitațional, cum ar fi galaxiile), atunci orice stafidă va vedea stafidele din apropiere ca retrăgându-se încet, în mod omnidirecțional. Dar cu cât o stafidă este mai departe, cu atât mai repede pare să se îndepărteze, chiar dacă stafidele nu se mișcă în raport cu aluatul. Aluatul se extinde la fel cum se extinde țesătura spațiului, iar tot ceea ce putem face este să vizualizăm deplasarea totală spre roșu.
Univers, unde distanțele relative cresc pe măsură ce spațiul (aluatul) se extinde. Cu cât două stafide oarecare sunt mai departe una de alta, cu atât mai mare va fi deplasarea spre roșu observată în momentul în care lumina este recepționată. Relația deplasare spre roșu-distanță prezisă de Universul în expansiune este confirmată de observații și a fost în concordanță cu ceea ce se știa încă din anii 1920. NASA / WMAP Science Team
Dacă măsurați valoarea ratei de expansiune, veți descoperi că aceasta poate fi exprimată în termeni de viteză pe unitatea de distanță. De exemplu, din scara distanței cosmice, obținem o valoare a lui H0, viteza de expansiune, care este de 73 km/s/Mpc. (Unde un Mpc este de aproximativ 3,26 milioane de ani-lumină.) Folosind fondul cosmic de microunde sau caracteristicile structurii la scară largă se obține o valoare similară, dar ușor mai mică: 67 km/s/Mpc.
În orice caz, există o distanță critică la care viteza aparentă de recesiune a unei galaxii va depăși viteza luminii: în jurul unei distanțe de 13-15 miliarde de ani-lumină. Dincolo de această distanță, galaxiile par să se îndepărteze mai repede decât lumina, dar acest lucru nu se datorează unei mișcări superluminale reale, ci mai degrabă faptului că spațiul însuși se extinde, ceea ce face ca lumina obiectelor îndepărtate să se deplaseze spre roșu. Când examinăm detaliile sofisticate ale acestei relații, putem concluziona fără echivoc că explicația „mișcării” nu se potrivește cu datele.
explicația pentru deplasarea spre roșu/distanțe (linie punctată) și predicțiile relativității generale (solid) pentru distanțele din Universul în expansiune. Definitiv, doar predicțiile relativității generale corespund cu ceea ce observăm. Utilizatorul Wikimedia Commons Redshiftimprove
Universul chiar se extinde, iar motivul pentru care vedem lumina obiectelor îndepărtate ca fiind atât de puternic deplasată spre roșu se datorează țesăturii spațiale în expansiune, nu mișcării galaxiilor prin spațiu. În realitate, galaxiile individuale se deplasează de obicei prin spațiu cu viteze relativ mici: între 0,05% și 1,0% din viteza luminii, nu mai mult.
Dar nu trebuie să priviți la distanțe foarte mari – 100 de milioane de ani-lumină este total suficient – înainte ca efectele expansiunii Universului să devină de netăgăduit. Cele mai îndepărtate galaxii vizibile pentru noi se află deja la o distanță de peste 30 de miliarde de ani-lumină, deoarece Universul continuă să se extindă și să întindă acea lumină ultra-distantă înainte ca aceasta să ajungă la ochii noștri. Pe măsură ce trecem de la era lui Hubble la era lui James Webb, sperăm să împingem această frontieră și mai departe. Cu toate acestea, indiferent cât de departe vom deveni capabili să vedem, majoritatea galaxiilor din Univers vor fi pentru totdeauna dincolo de raza noastră de acțiune.
porțiuni ale Universului, care sunt ceea ce sunt datorită expansiunii spațiului și componentelor energetice ale Universului. 97% din galaxiile din cadrul Universului nostru observabil sunt conținute în afara cercului magenta; ele sunt inaccesibile pentru noi astăzi, chiar și în principiu, deși le putem vizualiza întotdeauna în trecutul lor datorită proprietăților luminii și ale spațiu-timpului. E. Siegel, pe baza lucrărilor realizate de utilizatorii Wikimedia Commons Azcolvin 429 și Frédéric MICHEL
Toate galaxiile din Univers aflate dincolo de o anumită distanță par să se îndepărteze de noi cu viteze mai mari decât lumina. Chiar dacă am emite un foton astăzi, cu viteza luminii, acesta nu va ajunge niciodată la nicio galaxie aflată dincolo de o anumită distanță. Aceasta înseamnă că orice eveniment care are loc astăzi în acele galaxii nu va putea fi observat vreodată de noi. Totuși, acest lucru nu se datorează faptului că galaxiile în sine se mișcă mai repede decât lumina, ci mai degrabă pentru că însăși țesătura spațiului se extinde.
În cele 7 minute care v-au luat să citiți acest articol, Universul s-a extins suficient de mult pentru ca alte 15.000.000 de stele să treacă acel prag critic de distanță, devenind pentru totdeauna de neatins. Ele par să se deplaseze mai repede decât lumina doar dacă insistăm pe o explicație pur relativistă specială a deplasării spre roșu, o cale nesăbuită de urmat într-o epocă în care relativitatea generală este bine confirmată. Dar aceasta duce la o concluzie și mai inconfortabilă: din cele 2 trilioane de galaxii conținute în Universul nostru observabil, doar 3% dintre ele sunt în prezent accesibile, chiar și la viteza luminii.
Dacă ținem să explorăm cât mai mult Univers posibil, nu ne putem permite să întârziem. Cu fiecare clipă care trece, o altă șansă de a întâlni viață inteligentă ne scapă pentru totdeauna din mână.
Urmăriți-mă pe Twitter. Consultați site-ul meu web sau o parte din celelalte lucrări ale mele aici.
Lasă un răspuns