Как мы узнаем, сколько лет самым далеким объектам, которые мы видим на самом деле?
«Иногда человеку нужно уйти очень далеко, чтобы правильно вернуться на короткое расстояние». - Эдвард Олби
Это наконец-то случилось здесь, на «Спросите Итана»: впервые кто-то, кто отправлял свои вопросы и предложения, получает второй ответ! Первая заявка нашего читателя garbulky была выбрана еще для «Спросите Итана № 11». Что ж, молния ударила дважды, потому что на этой неделе мне на глаза попался вопрос:
Мы говорили о сверхновой возрастом 12 миллиардов лет, и [меня] спросили: «Откуда мы знаем, что она такая старая?» Я ответил, что она как-то связана со скоростью света. и время, потраченное на то, чтобы добраться сюда. Следующим шагом было то, что, если бы мы жили в другом месте во вселенной? Как бы мы тогда узнали, сколько ему лет? И разве наш ответ не будет другим?
Скорость света, конечно, конечна, и это говорит нам кое-что очень важное о некоторых удаленных объектах во Вселенной.
Это самая яркая звезда на ночном небе: Сириус. Он расположен на расстоянии 8,6 световых лет от нас, а это означает, что свет, достигающий нас прямо сейчас, был испущен из него 8,6 лет назад. Это также означает, что если бы у кого-то на Сириусе была технология, чтобы увидеть нас, он увидел бы Землю точно такой, какой она была 4 ноября 2005 года, когда Израиль оплакивал 10-ю годовщину убийства Рабина, бунты во Франции в самом разгаре и массовые протесты против президента США Буша.
Определить, как далеко назад во времени мы ищем объект, подобный звезде, в нашей галактике относительно просто: вы измеряете расстояние до него, и, поскольку вы знаете скорость света, вы можете вычислить световое время в пути. Это верно для любых двух точек во Вселенной, которые остаются примерно на одном и том же расстоянии друг от друга, пока свет движется.
Мы можем проделать выдающуюся работу по выяснению расстояния до различных объектов, узнав, как они работают. Например, некоторые типы звезд меняют свою яркость с течением времени, и существует очень тесная связь между периодом переменности этих звезд и их собственной яркостью.
Итак, если вы можете измерить, сколько времени требуется переменной звезде, чтобы снова перейти от яркой к слабой и снова яркой, и вы можете определить класс/тип звезды, вы можете узнать как далеко это от вас.
Этот метод сообщает нам расстояние до звездных скоплений, шаровых скоплений и близлежащих галактик, а затем другие отношения между свойствами, которые демонстрируют эти галактики (такие как свойства вращения, флуктуации поверхностной яркости или дисперсия скоростей), позволяют нам чтобы выяснить, как далеко находятся еще более далекие объекты во Вселенной.
И, наконец, мы можем использовать сверхновые - , особенно хорошо изученные, которые имеют очень стандартную яркость: сверхновые Типа Ia - для очень точного измерения расстояний до самых отдаленных мест во Вселенной, где они уходить. Даже, как намекает garbulky, если бы они взорвались миллиарды лет назад.
Но возникает проблема с простым измерением расстояния до этих объектов и попыткой подсчитать количество времени, прошедшего так же, как, скажем, для Сириуса. Проблема вот в чем: большая часть Вселенной не остается на том же расстоянии от Земли, даже приблизительно. Потому что Вселенная не является статичным местом: она расширяется!
Расширяется само пространство, а это значит, что все в нем, что не связано с нами гравитационно, со временем расширяется от нас. Это, безусловно, усложняет дело и было источником больших трудностей при определении того, как далеко назад во времени мы смотрели, когда наблюдали за очень далеким объектом, на протяжении большей части 20-го века. Потому что, понимаете, нельзя взять далекую галактику, измерить расстояние до нее и сразу узнать все следующее:
- На каком расстоянии от нас был источник света,
- Как далеко сейчас принимается свет, и
- Сколько времени потребовалось свету, чтобы достичь ваших глаз.
Для этого вам потребуется немного больше информации, чем просто расстояние до объекта сейчас.
Что вам действительно нужно, так это еще две части информации. Во-первых, вам нужно знать всю историю расширения Вселенной, или с какой скоростью она расширялась, когда свет покидал далекий объект, с какой скоростью он расширяется сейчас, когда вы получаете этот свет, и с какой скоростью он расширяется в течение всего этого промежуточного времени.
Звучит пугающе? На самом деле это очень просто по одной простой причине: теория гравитации Эйнштейна - Общая теория относительности - не дает нам много вариантов! Если мы сможем измерить скорость расширения сейчас (что мы смогли сделать с 1920-х годов), и мы сможем вычислить каков энергетический запас Вселенной, то мы знаем всю историю расширения Вселенной, начиная с Большого Взрыва!
И мы знаем это; мы очень хорошо усвоили это за последние три десятилетия или около того!
Итак, какая вторая часть информации? Нам просто нужно измерить, насколько свет от объекта, который мы наблюдаем, сместился в красную сторону. По мере того как ткань пространства Вселенной расширяется, длина волны света в вашей Вселенной также растягивается, а это означает, что ваш свет становится более красным по цвету. Но это фантастика, потому что весь ваш свет смещается в сторону красного! И мы знаем, как ведут себя атомы, звезды и свет, поэтому все, что нам нужно сделать, - это провести соответствующие измерения, чтобы точно узнать, насколько свет удаленного объекта смещается в красную сторону.
Итак, это все ! Вы измеряете расстояние до объекта любым количеством методов - для сверхновой, измеряете ее кривую блеска - и также измеряете красное смещение объекта (спектроскопически, для сверхновой).
Вы берете эти две части информации вместе с тем, что мы знаем об истории расширения Вселенной, и мы можем точно определить, сколько времени прошло между моментом, когда первоначальный фотон был испущенного и когда он достиг нашего глаза.
И вот как мы узнаем, как давно произошло то или иное явление во Вселенной, на которое мы смотрим! Поскольку на самом деле мы знаем, что Вселенной 13,82 миллиарда лет с момента Большого Взрыва, мы можем выяснить, сколько лет было Вселенной, когда свет излучался каждым объектом, на который мы смотрим!
Спасибо за отличный вопрос, и если вы хотите иметь возможность выбрать тему нашей следующей рубрики «Спросите Итана», присылайте свои вопросы и предложения сюда!