Посмотрите на удаленный объект, и вы не видите его таким, каким он является сегодня. Его размер, яркость и фактическое расстояние различаются.
Ключевые выводы
- Если вы смотрите на удаленный объект и знаете его внутренние свойства, вы можете подумать, что можете определить расстояние до него, измерив его яркость, угловой размер или время прохождения света.
- Если бы Вселенная не расширялась, а была больше похожа на то, что предвидел Ньютон, все три этих метода были бы правильными и согласованными.
- В нашей реальной Вселенной, однако, все три не только отличаются друг от друга, но и ни один из них не соответствует фактическому «расстоянию» без поправок. Вот почему.
Взгляните на любой объект, и то, что вы увидите, будет зависеть от того, насколько он удален от вас. В действительности этот объект будет иметь определенные физические свойства: размер, цвет, яркость и т. д., и будет находиться от вас на определенном расстоянии. Как правило, ваш способ обнаружения этого объекта будет основан на электромагнитном излучении, также известном как свет. Свет, который вы видите, - это свет, падающий на ваши глаза прямо сейчас, но этот свет должен был быть излучен этим объектом некоторое время назад: время, которое требуется этому свету, чтобы добраться от этого объекта до ваших глаз.
Кроме того, объект будет казаться меньше и менее ярким, чем дальше он от вас. Свет распространяется по сфере, как только он покидает источник, который его породил, и, следовательно, чем дальше он от вас, тем слабее он кажется. Кроме того, все физические объекты имеют определенный физический размер, поэтому чем дальше они находятся, тем меньше - с точки зрения углового размера - они кажутся вам.
Но эти отношения, которые очевидны в нашем повседневном опыте, совершенно нелогичны в расширяющейся Вселенной. Время прохождения света, яркость и угловой размер - все это бросает вызов нашим ожиданиям. На самом деле расстояния не такие, какими они кажутся в расширяющейся Вселенной. Вот как их понять.
Мы часто визуализируем пространство как трехмерную сетку, хотя это чрезмерное упрощение, зависящее от кадра, когда мы рассматриваем концепцию пространства-времени. На самом деле пространство-время искривлено присутствием материи и энергии, а расстояния не фиксированы, а могут изменяться по мере расширения или сжатия Вселенной. До Эйнштейна пространство и время считались фиксированными и абсолютными для всех; сегодня мы знаем, что это не может быть правдой.
Мы обычно понимаем вещи так же, как это делали Евклид и Ньютон: как если бы мир был определен каким-то фиксированным трехмерным пространством, где вы могли бы определить все объекты по их положению. В классической физике, как и в евклидовой геометрии, все наблюдатели повсюду могут прийти к согласию в определении того, что означают положение и местоположение: как в абсолютном, так и в относительном смысле. Если бы это было так для нашей настоящей, физической Вселенной, то все было бы просто и понятно, когда речь шла об измерении космических расстояний до различных объектов.
- Угловой размер объекта будет просто определяться его физическим размером на физическом расстоянии. Если бы вы знали, насколько он велик на самом деле, и могли бы измерить его угловой размер, вы могли бы определить, насколько далеко он находится.
- Кажущаяся яркость объекта будет просто определяться его собственной яркостью на физическом расстоянии. Если бы вы знали, насколько оно яркое, и могли бы измерить его яркость, вы могли бы определить расстояние до него.
- И если вы оглядываетесь на объект и знаете, сколько времени прошло с момента испускания света до того, как вы его заметили, вы можете узнать, как далеко он находится. Просто умножьте время прохождения света на скорость света, и вы получите расстояние.
Отношение яркости к расстоянию и то, как поток от источника света падает как единица на квадрате расстояния. Спутник, находящийся в два раза дальше от Земли, чем другой, будет казаться на четверть ярче, но время прохождения света удвоится, а объем передаваемых данных также уменьшится на четверть. Гравитация, свет, звук и электромагнетизм уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния.
Это кажется таким простым и понятным, что не может быть ошибкой. Если только одно из предположений, лежащих в основе этого рассуждения, не было ложным, а в данном случае это так.
Ложь?
Предполагая, что наше трехмерное пространство фиксировано, и что наблюдатели в разных точках пространства и/или времени договорятся о том, каковы «позиции» на самом деле, является проблемой. Пространство, среди многих других свойств Вселенной, относительно наблюдателя. В данном случае «относительный» означает:
- то, что вы воспринимаете, изменяется при изменении скорости,
- то, что вы воспринимаете, меняется с течением времени,
- то, что вы воспринимаете, меняется в зависимости от распределения масс в соседней Вселенной,
- и то, что вы воспринимаете, меняется в глобальном масштабе по мере расширения самой Вселенной.
Хотя все эти компоненты играют роль, наибольшую роль играет расширяющаяся Вселенная.
Модель «хлеба с изюмом» расширяющейся Вселенной, где относительные расстояния увеличиваются по мере расширения пространства (теста). Чем дальше любые две изюминки друг от друга, тем больше будет наблюдаемое красное смещение к моменту получения света. Связь между красным смещением и расстоянием, предсказанная расширяющейся Вселенной, подтверждается наблюдениями и согласуется с тем, что было известно еще с 1920-х годов.
Возможно, лучшая аналогия расширяющейся Вселенной - буханка дрожжевого хлеба с изюмом. Представьте, что у вас есть шарик теста с изюмом, распределенным по нему. Представьте, что мяч находится в космической среде с невесомостью, так что ни одно направление или измерение не предпочтительнее любого другого. И еще, я хочу, чтобы вы представили себе, что само тесто прозрачное, чтобы вы могли видеть «сквозь него» отдельные изюминки внутри.
Каждая изюминка похожа на галактику или другой светящийся объект, который гравитационно связан вместе, но не является частью более крупной структуры. Тесто похоже на ткань пространства: со временем оно расширяется.
Если бы вы представили, что сами находитесь на одной из изюминок, что бы вы увидели? В каждый момент вы видели бы изюм такими, какими они были относительно вас: свет от них, проходящий через «расширяющееся тесто», только что прибывал. Только из-за этого расширения свет, который вы видели, не обладал бы точно такими же свойствами, как излучаемый свет.
Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас и тем больше ее свет кажется смещенным в красную сторону. Галактика, движущаяся вместе с расширяющейся Вселенной, сегодня будет удалена даже на большее количество световых лет, чем количество лет (умноженное на скорость света), которое потребовалось испускаемому ею свету, чтобы достичь нас. Во Вселенной с темной энергией, по мере того, как объект удаляется со временем, кажется, что он удаляется от нас с постоянно увеличивающейся скоростью.
Первое и самое очевидное, что происходит, это то, что на свет влияет расширение Вселенной. По мере того, как ткань пространства «растягивается», пока свет проходит через нее, сам свет тоже растягивается: все длиннее и длиннее волны. Более длинные волны означают более красные цвета, более низкие температуры и более низкие энергии, поэтому действительно верно, что Вселенная охлаждается по мере расширения. Это также означает, что если бы мы сделали три снимка Вселенной:
- в тот момент, когда свет излучался какой-либо конкретной «изюмом» в этом хлебе с изюмом,
- в момент, когда расстояние между излучающей «изюмом» и наблюдателем «изюмом» равно световому времени (умноженному на скорость света), которое световая волна пройдет на всем своем пути,
- и в момент, когда на наблюдателя попадает свет «изюм» в хлебе с изюмом,
мы получили бы три разных ответа на вопрос «Как далеко друг от друга находятся эти две изюминки?» Свет излучался в далёком прошлом, и излучался тем дальше во времени, чем дальше находится излучающая изюминка. И хотя свет совершает путешествие (которое мы можем измерить годами) через Вселенную, к моменту прихода света расширение Вселенной оттолкнуло этот объект так, что он оказался намного дальше, чем время прохождения света или будет указано начальное разделительное расстояние.
Относительная важность различных энергетических компонентов во Вселенной в разное время в прошлом. Обратите внимание, что когда в будущем темная энергия достигнет числа, близкого к 100%, плотность энергии Вселенной (и, следовательно, скорость расширения) останется неизменной сколь угодно далеко вперед во времени. Из-за темной энергии далекие галактики уже ускоряют свою видимую скорость удаления от нас.
Еще одна вещь, которая не обязательно очевидна из аналогии с хлебом с изюмом, заключается в том, что сама скорость расширения изменяется по мере эволюции Вселенной. В любой конкретный момент времени есть только три вещи, определяющие скорость расширения Вселенной:
- сумма всей материи и энергии во всех ее различных формах в конкретном месте в космосе, которое вы занимаете,
- начальная скорость расширения, какой она была в начале горячего Большого взрыва,
- и какова кривизна пространства прямо сейчас в конкретном месте пространства, которое вы занимаете.
Если первоначальная скорость расширения была везде одинаковой, а кривизна пространства везде пренебрежимо мала, то самым большим фактором в эволюции света, проходящего через расширяющуюся Вселенную, является то, как меняются различные типы энергии, относительно друг друга, с точки зрения плотности. К счастью для всех нас, последние несколько десятилетий в космологии были революционными, поскольку научили нас как тому, из чего состоит наша Вселенная, в том числе в каких соотношениях в разное время, так и тому, как скорость ее расширения менялась на протяжении ее истории.
В то время как материя (как нормальная, так и темная) и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной из-за увеличения ее объема, темная энергия, подобно энергии поля во время инфляции, является формой энергии, присущей пространству сам. По мере того как в расширяющейся Вселенной создается новое пространство, плотность темной энергии остается постоянной. Обратите внимание, как на небольших графиках справа плотность излучения и вещества падает со временем, но плотность темной энергии остается постоянной.
Мы узнали, что сегодня наша Вселенная состоит из:
- 68% темной энергии, которая является формой энергии, присущей самой ткани пространства,
- 27% темной материи, которая массивна, слипается и гравитирует, но всегда движется медленно по сравнению со скоростью света,
- 4.9% нормальной материи, которая является массивной, сгущается и гравитирует, взаимодействует как с самой собой, так и с излучением и движется быстро по сравнению со скоростью света в очень ранние времена,
- 0.1% нейтрино, массивные, слипающиеся и тяготеющие в космически поздние времена, но движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, по крайней мере несколько миллионов лет,
- и 0,01% фотонов, которые не имеют массы и всегда ведут себя как излучение.
Если вы ведете себя как материя, ваша плотность падает по мере расширения Вселенной, поскольку плотность - это масса над объемом, а объем увеличивается. Если вы ведете себя подобно излучению, ваша плотность падает быстрее, чем плотность материи, поскольку увеличивается не только объем, но и длина волны вашего излучения растягивается расширяющейся Вселенной. И если вы ведете себя как темная энергия, плотность вашей энергии остается постоянной, поскольку при расширении Вселенной создается новое пространство, предотвращая уменьшение плотности.
Если учесть все, что мы знаем о расширяющейся Вселенной, мы можем немедленно извлечь несколько ценных уроков о том, что такое расстояние на самом деле и чем оно отличается от наших евклидовых/ньютоновских предубеждений.
Эта упрощенная анимация показывает, как происходит красное смещение света и как со временем меняются расстояния между несвязанными объектами в расширяющейся Вселенной. Поскольку расстояния между объектами не остаются постоянными с течением времени, расширяющаяся Вселенная не обладает инвариантностью к переносу времени, и следствием этого является то, что энергия не сохраняется в космическом масштабе. Все более удаленные объекты становятся видимыми, когда давно излучаемый свет, проходящий через миллиарды лет, впервые начинает достигать наших глаз. Это остается верным даже в богатой темной энергией Вселенной.
Время ретроспективного взгляда Вы когда-нибудь задумывались, почему мы говорим что-то вроде «мы видим этот объект таким, каким он был 13,4 миллиарда лет назад, и это 32 миллиарда световых лет от нас»? Это из-за того, как меняются расстояния в расширяющейся Вселенной. Когда свет был впервые испущен, Вселенная была намного меньше, и этот объект не находился даже в 1 миллиарде световых лет от нас. По мере того как этот свет шел к нам, Вселенная расширялась; сначала свет удалялся дальше, но когда скорость расширения замедлилась, он догнал нас. Наконец, сегодня, после путешествия в 13,4 миллиарда лет, приходит свет. Но сам объект теперь еще дальше: 32 миллиарда световых лет.
По мере того, как мы смотрим на все более и более далекие расстояния, разница между «временем ретроспективного анализа» в годах и «действительным расстоянием сегодня» в световых годах становится все больше, поскольку расширяющаяся Вселенная оказывает более выраженное влияние. Например:
- Свет, пришедший 100 миллионов лет назад, соответствует объекту, который в настоящее время находится на расстоянии 101 миллиона световых лет.
- Свет, пришедший 1 миллиард лет назад, соответствует объекту, который в настоящее время находится на расстоянии 1,036 миллиарда световых лет.
- Свет, пришедший 5 миллиардов лет назад, соответствует объекту, который в настоящее время находится на расстоянии 6,087 миллиардов световых лет.
- Свет, пришедший 10 миллиардов лет назад, соответствует объекту, который в настоящее время находится на расстоянии 16,03 миллиарда световых лет.
- Свет, пришедший 13,78 миллиарда лет назад, соответствует объекту, который в настоящее время находится на расстоянии 41,6 миллиарда световых лет.
Важным выводом является то, что расстояние до объекта - это не время прохождения света, умноженное на скорость света; в расширяющейся Вселенной его больше.
Два наиболее успешных метода измерения больших космических расстояний основаны либо на их видимой яркости (слева), либо на их видимом угловом размере (справа), оба из которых поддаются непосредственному наблюдению. Если мы сможем понять внутренние физические свойства этих объектов, мы сможем использовать их либо как стандартные свечи (слева), либо как стандартные линейки (справа), чтобы определить, как расширялась Вселенная и, следовательно, из чего она состоит на протяжении своей космической истории. Геометрия того, насколько ярким или большим кажется объект, не является тривиальной в расширяющейся Вселенной.
Яркость расстояние Чем дальше объект, тем он слабее; это именно то, что вы ожидаете. Но чем дальше вы идете, измеряя, насколько тусклым он становится, вы постепенно начнете обнаруживать, что объекты становятся тусклее быстрее, чем вы ожидали. Это связано с тем, что на свет влияет кривизна пространства, космологическое красное смещение и замедление времени кумулятивно промежуточной материи. Если бы Вселенная была статична, объект, который был бы в два раза дальше, казался бы всего лишь одной четвертью яркости, но на самом деле он еще менее яркий, в основном из-за фактора «красного смещения».
Одной из самых удивительных находок за всю историю человечества стало открытие темной энергии, которое было выявлено в результате изучения сверхдальних сверхновых. Тот факт, что в расширении Вселенной в очень поздние времена доминирует форма энергии (темная энергия), которая не становится менее плотной по мере расширения Вселенной, является причиной того, что объекты становятся тем слабее и сильнее, чем больше времени требуется их свет, чтобы достичь наших глаз. Это не обязательно интуитивно понятно, но это не самый большой сюрприз во Вселенной.
Возможно, это обозначение относится к последнему типу меры расстояния, которую мы могли бы использовать: основанной на угловом размере.
На этом трехпанельном изображении показан смоделированный вид одной и той же астрономической цели, NGC 3603, с помощью Хаббла (слева), Очень Большого Телескопа с адаптивной оптикой (в центре) и текущего строящийся Европейский чрезвычайно большой телескоп (справа). Повышение резкости является отражением увеличенного разрешения за счет большего главного зеркала. Это угловое разрешение также зависит от расстояния, но не интуитивным образом.
Расстояние по угловому диаметру Можно подумать, что это будет самым простым: узнать, насколько велик объект, а затем измерить его большой он появляется на небе, и вы можете вычислить, как далеко он находится. Только это нехорошо, потому что для каждого углового размера, который вы видите, на самом деле есть два расстояния, на которых может находиться объект: одно ближе к вам, а другое дальше.
Почему это так? Потому что давным-давно, когда Вселенная была моложе, объекты, которые сейчас очень далеки, когда-то были намного ближе, и, следовательно, они, казалось, занимали гораздо больший угол на небе. Несмотря на то, что Вселенная с тех пор расширилась, когда-то она расширялась быстрее, чем мог бы двигаться свет, и только после того, как скорость расширения падает, свет начинает нас «догонять».
Другими словами, по мере того, как вы смотрите дальше, объекты кажутся все меньше и меньше до критической точки: минимального размера объектов в нашей Вселенной, который имеет место для объектов, которые составляют где-то около 15 миллиардов световых лучей. - лет. Кроме того, они снова начинают казаться больше; если что-то исходит от нас близко или очень далеко, на небе они будут иметь одинаковый угловой размер.
Смоделированный вид одной и той же части неба в одно и то же время наблюдения как с Хаббла (слева), так и с исходной архитектурой LUVOIR (справа). Разница захватывает дух и представляет собой то, что может дать наука в масштабе цивилизации: разрешение всего в несколько сотен световых лет на пиксель каждого объекта во Вселенной. Многие галактики, предположительно находящиеся там, но вне досягаемости Хаббла, наконец будут обнаружены.
Это не ошибка расширения Вселенной; это особенность. Это означает, что если мы сможем построить телескоп, чтобы различать объекты определенного размера в поперечнике - тысячу световых лет, или сотню, или десять, или один, - которые в настоящее время находятся на расстоянии 15 миллиардов световых лет, этот телескоп сможет чтобы увидеть каждый объект во Вселенной в этом разрешении или лучше. Если вы хотите построить большой космический телескоп, подобный тому, который Национальные академии только что оценили как наивысший приоритет для астрофизики НАСА, вот что он вам даст: превосходное разрешение по всей наблюдаемой Вселенной.
В расширяющейся Вселенной далекие объекты тусклее, чем кажутся. Они дальше, чем кажутся. Но с точки зрения углового размера, когда вы выходите за пределы определенного расстояния, они на самом деле кажутся больше, чем они есть на самом деле. Мы можем использовать это, если будем достаточно умны и готовы вкладывать в это свои ресурсы, чтобы исследовать более удаленные объекты во Вселенной с большей точностью и разрешением, чем те, которые ближе к нам. Когда дело доходит до наблюдения за огромными космическими просторами, природа очень редко помогает нам. Заставляя сверхдалёкие галактики казаться больше, чем они есть на самом деле, расширяющаяся Вселенная демонстрирует один несомненный способ, которым космос, по крайней мере с точки зрения потенциала открытия, был добр к нам.