Så här ser det ut när avlägsna galaxer expanderar bort från oss i snabbare takt än ljuset

bort från oss och ju mer dess ljus verkar rödförskjutet. En galax som rör sig med det expanderande universumet kommer att vara ännu ett större antal ljusår bort, idag, än det antal år (multiplicerat med ljusets hastighet) som det tog ljuset som sändes ut från den att nå oss. Men vi kan bara förstå rödförskjutningar och blåförskjutningar om vi tillskriver dem en kombination av effekter som beror på både rörelse (specialrelativistisk) och rymdens expanderande struktur (allmän relativitetsteori). Larry McNish från RASC Calgary Center

Om du tittar ut i det avlägsna universum kommer du att stöta på galaxer som är miljoner, miljarder eller till och med tiotals miljarder ljusår bort. I genomsnitt gäller att ju längre bort en galax är från dig, desto snabbare tycks den avlägsna sig från dig. Detta visar sig när du tittar på färgerna hos de stjärnor som finns i galaxen, liksom på de emissions- och absorptionslinjer som är inneboende i själva galaxen: de kommer att förefalla vara systematiskt förskjutna mot det röda.

Tids nog kommer du att börja se galaxer som är så långt borta att ljuset från dem kommer att vara så kraftigt rödförskjutet att de kommer att förefalla närma sig, nå och till och med överskrida ljusets hastighet bortom ett visst avstånd. Det faktum att detta är vad vi faktiskt ser kan få dig att ifrågasätta allt du trodde att du visste om relativitet, fysik och universum. Ändå är det du ser verkligt; dessa rödförskjutningar är ingen lögn. Här är vad som gör att dessa avlägsna galaxer rödförskjuts så kraftigt, och vad det verkligen betyder för ljusets hastighet.

att passera märkbart annorlunda för resenären jämfört med den person som förblir i en konstant referensram. Man kan dock bara jämföra klockor (tid) och linjaler (avstånd) mellan observatörer som befinner sig vid samma händelse (eller uppsättning rumsliga och tidsmässiga koordinater) i universum; observatörer som är åtskilda på något avstånd måste också räkna med rymdtidens icke-flacka, icke-statiska egenskaper. Tvillingparadoxen, via

Relativitetstanken är något som de flesta människor tror att de förstår, men det är viktigt att vara försiktig på grund av hur lätt Einsteins teori kan missförstås. Ja, det är sant att det finns en yttersta hastighet för objekt i universum: ljusets hastighet i ett vakuum, c, eller 299 792 458 m/s. Endast partiklar med nollmassa kan röra sig med den hastigheten; allt som har en verklig, positiv massa kan bara röra sig långsammare än ljusets hastighet.

Men när vi talar om att vara begränsade av ljusets hastighet gör vi underförstått ett antagande som de flesta av oss inte är medvetna om: vi talar om ett objekt som rör sig i förhållande till ett annat objekt vid samma händelse i rymdtiden, vilket innebär att de befinner sig på samma rumsliga plats vid samma tidpunkt. Om du har två objekt med olika rumtidskoordinater från varandra, finns det en annan faktor som spelar in och som absolut inte kan ignoreras.

och solen i vårt solsystem, måste beaktas vid alla observationer som en rymdfarkost eller ett annat observatorium skulle göra. Den allmänna relativitetsprincipens effekter, även de subtila, kan inte ignoreras i tillämpningar som sträcker sig från rymdforskning till GPS-satelliter och en ljussignal som passerar nära solen. NASA/JPL-Caltech, för Cassini-uppdraget

Inom den specialrelativistiska rörelsen, som sker i förhållande till den rymdtidskoordinat du för närvarande befinner dig i, finns det också en effekt som bara dyker upp när du börjar tänka i termer av allmän relativitetsteori: krökningen och utvecklingen av själva rymdtiden.

Då den specialrelativistiska rörelsen bara äger rum i okrökt, statisk rymd, har det verkliga universum materia och energi i det. Förekomsten av materia/energi innebär att objekten i vår rymdtid inte kan vara statiska och oföränderliga, utan kommer att få se sina rumsliga positioner utvecklas med tiden, eftersom själva strukturen i rymdtiden utvecklas. Om du befinner dig i närheten av en stor massa, som en stjärna eller ett svart hål, kommer rymden att krökas så att du upplever en acceleration mot den massan. Detta sker även i avsaknad av rörelse i förhållande till själva rymdväven; rymden beter sig som en strömmande flod eller en rörlig gångväg och drar med sig alla objekt när den flyter.

Schwarzschilds svarta hål, rymden flyter som antingen en rullande gångväg eller ett vattenfall, beroende på hur man vill visualisera det. Vid händelsehorisonten skulle man, även om man sprang (eller simmade) med ljusets hastighet, inte kunna övervinna rymdtidens flöde, som drar en in i singulariteten i centrum. Utanför händelsehorisonten kan dock andra krafter (t.ex. elektromagnetism) ofta övervinna gravitationens dragningskraft, vilket gör att till och med materia som är på väg in i rymden kan fly. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

I ett universum som är fyllt av materia på ett ungefär enhetligt sätt, särskilt på de största skalorna, gäller de förändringar som rumtiden genomgår på skalor som omfattar hela det observerbara universum. Närmare bestämt kan ett universum som fylls både homogent (samma på alla platser) och isotropt (samma i alla riktningar) inte förbli statiskt, utan måste antingen expandera eller krympa.

När Alexander Friedmann 1922 för första gången härledde ekvationerna som krävde denna lösning, uppmärksammades den föga. Fem år senare, helt oberoende, kom Georges Lemaître på samma lösning, som han omedelbart skickade till Einstein själv. När han fick den kunde Einstein inte hitta något fel på arbetet men kunde inte acceptera dess slutsats, och han sade som bekant: ”Dina beräkningar är korrekta, men din fysik är avskyvärd”. Men hans fysik var inte avskyvärd; den var nyckeln till att låsa upp universum.

som lyser genom de interstellära molnen. Variabla stjärnor finns i många varianter; en av dem, cepheidvariabler, kan mätas både i vår egen galax och i galaxer som ligger upp till 50-60 miljoner ljusår bort. Detta gör det möjligt för oss att extrapolera avstånd från vår egen galax till mycket mer avlägsna galaxer i universum. Andra klasser av enskilda stjärnor, t.ex. en stjärna på toppen av AGB eller en RR Lyrae-variabel, kan användas i stället för cepheider, vilket ger liknande resultat och samma kosmiska gåta om expansionshastigheten. NASA, ESA och Hubble Heritage Team

Ungefär samtidigt – på 1910- och 1920-talen – hade astronomerna precis fått den tekniska kapaciteten att göra två viktiga mätningar av svaga, avlägsna objekt.

1. Med hjälp av tekniken spektroskopi, där ljuset från ett objekt kan delas upp i dess enskilda våglängder, kunde astronomerna identifiera den säkra signaturen av specifika atomer: absorptions- och emissionslinjer som förekommer vid specifika våglängder. Baserat på den systematiska förskjutningen av dessa spektrallinjer, antingen mot rött eller blått med samma övergripande faktor, kunde astronomer mäta den totala rödförskjutningen (eller blåförskjutningen) av ett avlägset objekt, till exempel en galax.
2. Genom att identifiera specifika egenskaper hos ett avlägset objekt som berättar om dess inneboende egenskaper, till exempel en stjärnas inneboende ljusstyrka eller galaxens faktiska storlek, samt den skenbara ljusstyrkan eller den skenbara vinkeldiametern, kunde astronomer sedan härleda avståndet till det objektet.

de objekt som vi observerar uppvisar spektrala signaturer av absorption eller emission av särskilda atomer, joner eller molekyler, men med en systematisk förskjutning mot antingen den röda eller den blå änden av ljusspektrumet. I kombination med Hubbles avståndsmätningar gav dessa uppgifter upphov till den första idén om ett expanderande universum: ju längre bort en galax är, desto mer rödförskjuten är dess ljus. Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403

Genom att kombinera båda observationerna, vilket forskarna började göra i slutet av 1920-talet, framträdde ett tydligt mönster: ju längre bort en galax var, desto större var dess rödförskjutning. Detta var bara en allmän trend, eftersom enskilda galaxer tycktes ha ytterligare rödförskjutningar och blåförskjutningar som lades ovanpå denna övergripande trend, men den allmänna trenden förblev tydlig.

Specifikt är de ”extra” rödförskjutningar och blåförskjutningar som uppträder alltid oberoende av avståndet och motsvarar hastigheter som sträcker sig från tiotals, hundratals till några tusen kilometer per sekund, men inte snabbare. Men när man tittar på galaxer som är dubbelt så avlägsna som en närmare galax, är den genomsnittliga rödförskjutningen dubbelt så stor som för de närmare galaxerna. På tio gånger avståndet är rödförskjutningen tio gånger så stor. Och denna trend fortsätter så långt som vi är villiga att titta, från miljoner till tiotals miljoner till hundratals miljoner till miljarder ljusår bort.

universums expansion, följt av senare mer detaljerade, men också osäkra, observationer. Hubbles graf visar tydligt sambandet rödförskjutning-avstånd med bättre data än hans föregångare och konkurrenter; de moderna motsvarigheterna går mycket längre. Observera att märkliga hastigheter alltid förblir närvarande, även på stora avstånd. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)

Som du kan se är trenden att detta förhållande – mellan den uppmätta rödförskjutningen och avståndet – fortsätter för extraordinära avstånd. Förhållandet mellan rödförskjutning och avstånd, som i generationer varit känt som Hubbles lag (nyligen reviderad till Hubble-Lemaître-lagen) men som oberoende av varandra upptäcktes av både Lemaître och Howard Robertson innan Hubble publicerade den, har varit ett av de mest robusta empiriska förhållandena som någonsin har upptäckts inom astronomin.

Standardtolkningen av denna trend, inklusive de extra rödförskjutningar och blåförskjutningar som är inneboende i varje enskilt objekt, är att det finns två delar i varje objekts rödförskjutning och/eller blåförskjutning.

1. Den komponent som beror på universums totala expansion, relationen rödförskjutning-avstånd, är ansvarig för majoriteten av rödförskjutningen, särskilt på stora avstånd.
2. Den komponent som beror på varje enskild galaxs rörelse genom rymden, som står för de ”extra” störningarna ovanpå huvudtrendlinjen, beror på den speciella relativistiska rörelsen i förhållande till den expanderande rymdväven.

Undertäta (blå/svarta) regioner i universum i vår närhet. Linjerna och pilarna illustrerar riktningen för de märkliga hastighetsflödena, som är gravitationens tryck och dragning på galaxerna runt omkring oss. Alla dessa rörelser är dock inbäddade i den expanderande rymdens väv, så en uppmätt/observerad rödförskjutning eller blåförskjutning är en kombination av rymdens expansion och rörelsen hos ett avlägset, observerat objekt. Cosmography of the Local Universe – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69

De speciella relativistiska rörelserna är lätta att förstå: de orsakar en förskjutning av ljusets våglängd på samma sätt som en glassbil i rörelse orsakar en förskjutning av ljudets våglängd som når ditt öra. Ljudvågorna från glassbilen som rör sig mot dig kommer att nå dig på ett komprimerat sätt med högre tonlägen, vilket är analogt med en blåförskjutning av ljuset. När den rör sig bort från dig finns det mer utrymme mellan varje vågkrön, och därför låter den med lägre tonhöjd, analogt med en rödförskjutning.

Men rymdens expansion spelar en viktigare roll, särskilt på större skalor. Om man föreställer sig rymdväven som en degboll med russin överallt (som representerar gravitationsbundna strukturer som galaxer), så kommer varje russin att se de närliggande russinerna som att de långsamt drar sig tillbaka i en allsidig riktning. Men ju längre bort ett russin är, desto snabbare tycks det backa undan, även om russinen inte rör sig i förhållande till degen. Degen expanderar precis som rymdväven expanderar, och allt vi kan göra är att se den totala rödförskjutningen.

Universum, där de relativa avstånden ökar i takt med att utrymmet (degen) expanderar. Ju längre bort två russin är från varandra, desto större kommer den observerade rödförskjutningen att vara när ljuset tas emot. Det förhållande mellan rödförskjutning och avstånd som förutses av det expanderande universum bekräftas av observationer och har stämt överens med vad som varit känt ända sedan 1920-talet. NASA / WMAP Science Team

Om man mäter värdet av expansionshastigheten finner man att den kan uttryckas i form av en hastighet per avståndsenhet. Från den kosmiska distansstegen kan vi till exempel härleda ett värde för H0, expansionshastigheten, som är 73 km/s/Mpc. (Där en Mpc är ungefär 3,26 miljoner ljusår.) Genom att använda den kosmiska mikrovågsbakgrunden eller egenskaperna hos storskalig struktur får man ett liknande men något lägre värde: 67 km/s/Mpc.

Hursomhelst finns det ett kritiskt avstånd där den skenbara recessionshastigheten hos en galax kommer att överstiga ljusets hastighet: ungefär på ett avstånd av 13 till 15 miljarder ljusår. Utöver detta verkar galaxer avlägsna sig snabbare än ljuset, men detta beror inte på en faktisk superluminal rörelse, utan snarare på det faktum att själva rymden expanderar, vilket får ljuset från avlägsna objekt att rödförskjutas. När vi undersöker de sofistikerade detaljerna i detta förhållande kan vi entydigt dra slutsatsen att ”rörelse”-förklaringen inte stämmer överens med data.

förklaring till rödförskjutning/avstånd (streckad linje) och den allmänna relativitetsteorins (heldragen) förutsägelser för avstånd i det expanderande universum. Definitivt är det bara den allmänna relativitetsteorins förutsägelser som stämmer med det vi observerar. Wikimedia Commons-användaren Redshiftimprove

Universet expanderar verkligen, och anledningen till att vi ser ljuset från avlägsna objekt som så kraftigt rödförskjutet beror på rymdens expanderande väv, inte på galaxernas rörelse genom rymden. I själva verket rör sig enskilda galaxer vanligtvis genom rymden med relativt låga hastigheter: mellan 0,05 % och 1,0 % av ljusets hastighet, inte mer.

Men man behöver inte titta på mycket stora avstånd – 100 miljoner ljusår räcker helt och hållet – innan effekterna av det expanderande universum blir obestridliga. De mest avlägsna galaxer som är synliga för oss ligger redan mer än 30 miljarder ljusår bort, eftersom universum bara fortsätter att expandera och sträcka ut det ultraavlägsna ljuset innan det når fram till våra ögon. När vi går från Hubble-eran till James Webb-eran hoppas vi kunna flytta denna gräns ännu längre tillbaka. Men oavsett hur långt vi blir kapabla att se kommer de flesta av universums galaxer för alltid att vara utom räckhåll för oss.

delar av universum, som är vad de är tack vare rymdens expansion och universums energikomponenter. 97 % av galaxerna i vårt observerbara universum finns utanför den magenta cirkeln; de är idag oåtkomliga för oss, även i princip, även om vi alltid kan se dem i deras förflutna tack vare ljusets och rymdtidens egenskaper. E. Siegel, baserat på arbete av Wikimedia Commons-användarna Azcolvin 429 och Frédéric MICHEL

Alla galaxer i universum bortom ett visst avstånd tycks avlägsna sig från oss med hastigheter snabbare än ljuset. Även om vi i dag skulle sända ut en foton med ljusets hastighet kommer den aldrig att nå någon galax bortom det bestämda avståndet. Det betyder att alla händelser som inträffar i dag i dessa galaxer aldrig kommer att kunna observeras av oss. Det beror dock inte på att galaxerna i sig själva rör sig snabbare än ljuset, utan snarare på att själva rymdväven expanderar.

Under de 7 minuter som det tog dig att läsa den här artikeln har universum expanderat tillräckligt mycket så att ytterligare 15 000 000 stjärnor har korsat den kritiska avståndsgränsen och för alltid blivit ouppnåeliga. De verkar bara röra sig snabbare än ljuset om vi insisterar på en rent specialrelativistisk förklaring av rödförskjutningen, en dåraktig väg att gå i en tid då den allmänna relativitetsteorin är väl bekräftad. Men det leder till en ännu mer obehaglig slutsats: av de 2 biljoner galaxer som finns i vårt observerbara universum är endast 3 % av dem för närvarande nåbara, även med ljusets hastighet.

Om vi bryr oss om att utforska så mycket som möjligt av universum har vi inte råd att dröja. För varje ögonblick som går glider ytterligare en chans att stöta på intelligent liv för alltid bort från vårt grepp.

Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.