Если вы думаете о Большом взрыве как о взрыве, мы можем проследить его до одной точки происхождения. Но что, если бы это случилось сразу везде?
Ключевые выводы
- Если вы измерите красное и синее смещение каждой галактики, вы сможете проследить его до точки, и эта точка не будет сосредоточена на нас.
- Заманчиво задать вопрос: "Где эта точка?" И ответ в том, что он относительно близко: в нескольких миллионах световых лет от нас, но это менее 0,1% размера видимой Вселенной.
- Но это неправильный способ думать о Большом взрыве, который лучше рассматривать как момент времени, а не место в пространстве. Вот почему.
Одна из самых трудных концепций для любого, даже профессионального астрофизика, - это идея Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной. Далеко-далеко, на пределе того, что могут видеть даже наши самые мощные телескопы, находятся галактики, удаляющиеся от нас так быстро, что свет, излучаемый их звездами, растягивается в двенадцать раз по сравнению с исходной длиной волны. Эти растянутые световые волны являются следствием расширения Вселенной, и они почти, но не совсем идентичны для галактик, которые мы видим во всех направлениях в пространстве.
Может ли эта разница, а также тот факт, что одно направление имеет несколько большее красное смещение для своих объектов, чем противоположное, рассказать нам что-нибудь о том, где все эти миллиарды лет назад на самом деле произошел Большой Взрыв? Вот что хочет знать Финли Мэтисон, спрашивая:
«Если вы используете красное смещение для света, идущего к нам, и синее смещение для удаляющегося света, можем ли мы сказать, где мы находимся во Вселенной по отношению к происхождению Большого взрыва?»
Это не то, что мы обычно делаем в астрофизике, и на то есть веские причины, но мы могли бы. Давайте сначала посмотрим, чему мы научимся, если сделаем это, а затем выясним, почему мы этого не делаем.
На этом графике показаны 1550 сверхновых, которые являются частью анализа Pantheon+, построенные как функция звездной величины в зависимости от красного смещения. Все они соответствуют линии, предсказываемой нашей стандартной космологической моделью, причем даже сверхновые с наибольшим красным смещением и самые отдаленные сверхновые типа Ia придерживаются этого простого соотношения.
Когда мы смотрим на Вселенную, мы видим, что существует поразительно устойчивая связь между светом, который мы измеряем от галактик, и тем, как далеко, по нашим измерениям, находятся эти галактики. В среднем, как было подтверждено для тысяч и тысяч галактик на самых разных расстояниях, чем дальше от нас находится галактика, тем больше красное смещение ее света. Мы не только видим эту связь во всех направлениях, но она удивительно проста: скорость, с которой, как мы предполагаем, движутся эти галактики, прямо пропорциональна их измеренному расстоянию от нас.
Это ключевое наблюдение, впервые сделанное еще в 1920-х годах, которое привело космологов к выводу, что Вселенная расширяется. Чем дальше объект, тем быстрее мы видим, как он удаляется от нас: правило, которое остается в силе, насколько мы можем искать уже почти целое столетие. Однако, когда мы смотрим на очень детальный уровень, мы видим очень, очень небольшие различия в направлениях: в одном направлении объекты лишь слегка смещены в красную сторону, немного больше среднего, в то время как в противоположном направлении все очень незначительно. слегка синее смещение немного больше, чем в среднем.
Объект, движущийся со скоростью, близкой к скорости света, излучающий свет, будет иметь смещенный свет, который он излучает, в зависимости от местоположения наблюдателя. Кто-то слева увидит, что источник удаляется от него, и, следовательно, свет будет смещен в красную сторону; кто-то справа от источника увидит, что он смещается в синеву или смещается в сторону более высоких частот по мере того, как источник приближается к нему.
В некотором смысле это имеет смысл. Учтите, что Вселенная не идеально однородна, а скорее в ней есть гравитационные несовершенства:
- области космоса, в которых материи больше, чем в среднем, например, звезды, галактики, а также группы и скопления галактик,
- и области космоса, в которых материи меньше среднего, известные как космические пустоты, которые утратили свою материю в более плотные, структурно-богатые области.
Если во Вселенной что-то тянет за собой материя, и эта материя распределена неравномерно, то вполне естественно, что все - галактики ближние и дальние, и даже наш Млечный Путь и Местная Группа - будет толкаться и тянуться гравитационным влиянием всего, что его окружает.
Все приведено в относительное движение взаимными гравитационными силами между ними, как мы можем точно знать, как мы «движемся» относительно остальной Вселенной? К счастью, природа дает нам путь.
COBE, первый спутник реликтового излучения, измерил флуктуации только в масштабе 7º. WMAP смог измерить разрешение до 0,3 ° в пяти различных диапазонах частот, а Planck измерил разрешение всего до 5 угловых минут (0,07 °) в девяти различных диапазонах частот. Все эти космические обсерватории обнаружили космический микроволновый фон, подтвердив, что это не атмосферное явление и что оно имеет космическое происхождение.
Во всех направлениях в космосе существует очень холодная, низкоэнергетическая, но вездесущая ванна радиации: космический микроволновый фон, или сокращенно реликтовое излучение. Первоначально это было предсказано еще в 1940-х годах, когда стало понятно, что если Вселенная расширяется сегодня, то в прошлом она должна была быть меньше. Если расширяющаяся Вселенная увеличивает длину волны света, проходящего через нее, то это означает, что «перевод часов назад» к более ранним временам подобен сжатию Вселенной и, следовательно, сжатию длины волны света, проходящего через нее.
Раньше этот свет должен был иметь более высокую энергию, и, следовательно, Вселенная должна была быть более горячей. Если мы представим Вселенную в достаточно раннее время, все могло быть настолько горячим, что даже нейтральные атомы не могли образоваться, поскольку присутствующие кванты высокоэнергетического света ионизировали бы эти атомы. И поэтому, поскольку Вселенная расширялась и охлаждалась, мы ожидаем, что длина волны этого света увеличится, оставив нам однородный низкоэнергетический фон, сохраняющийся до наших дней.
Итак, если мы сможем измерить этот фон и обнаружим, что он не идеально однороден, а предпочитает одно направление другому, мы можем использовать это для измерения нашего движения во Вселенной относительно «системы покоя».” того места, где произошел Большой Взрыв.
Хотя космический микроволновый фон имеет одинаковую приблизительную температуру во всех направлениях, в одном конкретном направлении есть отклонения, составляющие 1 часть из 800: это согласуется с нашим движением по Вселенной. При 1/800 общей величины самой амплитуды реликтового излучения это соответствует движению со скоростью примерно 1/800 скорости света, или ~368 км/с с точки зрения Солнца.
Это, что примечательно, было измерено с невероятной точностью. Вселенная во всех направлениях имеет среднюю фоновую температуру от реликтового излучения 2,7255 К: менее чем на три градуса выше абсолютного нуля. Но в одну сторону, это около 3. На 4 милликельвина горячее среднего, а в противоположном направлении примерно на 3,4 милликельвина холоднее среднего, при этом все другие направления поддерживают интерпретацию этого как «движения» во Вселенной.
Когда мы переводим это в скорость и учитываем движение нашего Солнца через Млечный Путь, мы обнаруживаем, что это означает, что наш Млечный Путь движется через Вселенную примерно со скоростью 620 километров в секунду: к созвездия Льва и подальше от созвездия Водолея.
Если мы проделаем сложную математику и предположим, что мы начали с состояния покоя в почти идеально однородной Вселенной, мы сможем вычислить, насколько далеко это кумулятивное гравитационное притяжение унесло нас от первоначального состояния. точка, где все направления будут иметь примерно одинаковую температуру.
Ответ? Мы находимся где-то между 14 и 20 миллионами световых лет от этой «центральной» точки; назовем его для простоты 17 миллионами световых лет.
Потоки ближайших галактик и скоплений галактик (как показано «линиями» потоков) отображаются рядом с массовым полем. Наибольшая избыточная плотность (красный цвет) и пониженная плотность (черный цвет) возникли из-за очень малых гравитационных различий в ранней Вселенной.
Другими словами, если бы вы могли взять все галактики в расширяющейся Вселенной, измерить, насколько они удаляются друг от друга в расширяющейся Вселенной во всех трех измерениях, и проследить это движение до одной точки, именно там должна быть эта точка: примерно в 17 миллионах световых лет от того места, где мы находимся сегодня.
Это удивительно близко! В конце концов, мы можем видеть примерно на 46,1 миллиарда световых лет во всех направлениях, а 17 миллионов световых лет - это всего лишь 0,037% радиуса Вселенной от нас.
Это совпадение? Неужели мы случайно появились во всей наблюдаемой Вселенной очень близко, но не совсем в «эпицентре» Большого взрыва?
Мы в этом серьезно сомневаемся. Существуют как наблюдательные, так и теоретические причины не одобрять эту интерпретацию, и она больше не рассматривается всерьез как правдоподобная интерпретация расширяющейся Вселенной или Большого Взрыва.
В любую эпоху нашей космической истории любой наблюдатель испытает однородную «ванну» всенаправленного излучения, возникшего во время Большого Взрыва. Сегодня, с нашей точки зрения, она всего на 2,725 К выше абсолютного нуля и, следовательно, наблюдается как космический микроволновый фон с пиком в микроволновых частотах. В настоящее время в большинстве мест космоса именно это остаточное излучение определяет температуру Вселенной.
С теоретической точки зрения, единственная причина, по которой вы можете проследить видимое движение всех галактик, которые вы видите, до определенной точки, заключается в том, что все они возникли в результате какого-то взрыва. Точно так же, как если бы у вас была взорвавшаяся граната, вы могли бы проследить траекторию осколка, чтобы найти точку взрыва, вы могли бы проследить движение всех галактик, если они тоже возникли из какой-то точки взрыва.
Но «взрыв» - это не то же самое, что «расширение». Взрыв - это то, что происходит в космосе, и шрапнель от этого взрыва будет лететь сквозь пространство. Однако расширение - это то, что происходит с пространством и влияет на то, как объекты в вашей Вселенной воспринимают друг друга.
Лучшая аналогия, которую я знаю, это шарик теста с изюмом внутри. Тесто похоже на пространство, а изюм - на галактики внутри него. Вы живете как часть изюма, и вы можете видеть только другие изюминки, а не само тесто. По мере того, как тесто заквашивается, изюм, который находится рядом с вами, будет казаться удаляющимся от вас с определенной скоростью, но чем дальше был изюм, тем быстрее вы увидите, как он удаляется от вас. В какой-то момент вы даже увидите, как изюм улетает от вас со скоростью, подразумевающей скорость, превышающую скорость света; замечательный подвиг, который не может произойти в сценарии «взрыва», только в сценарии «расширения».
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.
На самом деле, в контексте общей теории относительности Эйнштейна, невозможно иметь Вселенную, которая везде заполнена материей и излучением, и при этом эта Вселенная не расширяется или не сжимается. Если общая теория относительности верна и Вселенная полна материи и энергии, то с теоретической точки зрения неизбежным выводом будет то, что Вселенная не может быть статична. Другими словами, наблюдение, что объекты удаляются от нас, и что чем дальше они от нас, тем быстрее кажется, что они удаляются, является очень веским доказательством того, что Вселенная расширяется.
Если Вселенная расширяется, это имеет огромное значение для самого Большого Взрыва. Это означает, что Большой взрыв был не взрывом, произошедшим в какой-то момент, а скорее началом безжалостного расширения, начавшегося в определенный момент времени. В этот момент Вселенная - везде и во всех местах - была наполнена материей и энергией, расширялась и охлаждалась во всех направлениях. Это расширение является одной из причин того, почему во Вселенной, которой всего 13,8 миллиарда лет, мы можем видеть объекты, которые сегодня находятся на расстоянии 46,1 миллиарда световых лет. Только в том случае, если Вселенная расширяется, а не взорвалась из одной точки, такие расстояния можно наблюдать за такие малые промежутки времени.
Эта упрощенная анимация показывает, как происходит красное смещение света и как со временем меняются расстояния между несвязанными объектами в расширяющейся Вселенной. Обратите внимание, что каждый фотон теряет энергию, путешествуя по расширяющейся Вселенной, и эта энергия «уходит» куда угодно; энергия просто не сохраняется во Вселенной, которая меняется от момента к моменту.
Это не чисто теоретический вывод. Если бы Вселенная началась со взрыва, мы ожидали бы увидеть, что самые дальние и самые быстро движущиеся объекты были бы подобны мельчайшим осколкам шрапнели: они разгонялись до самых больших скоростей. Мы ожидаем, что чем дальше вы смотрите, тем меньше и разреженнее галактик, потому что объем расширяется по мере куба расстояния от центра. И вы ожидаете, что сможете увидеть эти объекты только такими, какими они были определенное количество времени назад: количество времени, которое потребовалось свету, чтобы добраться до ваших глаз. Поскольку этим галактикам сначала придется путешествовать отсюда туда, вы сможете вернуться только к половине возраста Вселенной, и, следовательно, вы никогда не должны видеть галактики моложе примерно 6,9 миллиардов лет.
Однако все эти предсказания противоречат тому, что мы видим. Чем дальше вы смотрите, тем больше галактик вы видите в данном объеме пространства, потому что Вселенная расширилась на меньшую величину, и у галактик было меньше времени, чтобы слиться вместе. Мы видели галактики, которые выглядят такими, какими они были, когда Вселенной было всего 407 миллионов лет: всего 3% от ее нынешнего возраста. И галактики, как мы видим их через космическое время, бывают всех размеров и форм, включая аналоги галактик, которые так же впечатляющи, как Млечный Путь, даже на огромных космических расстояниях.
Галактики, сравнимые с современным Млечным Путем, многочисленны, но более молодые галактики, подобные Млечному Пути, по своей природе меньше, голубее и в целом богаче газом, чем галактики, которые мы видим сегодня. Тот факт, что мы видим галактики такого разнообразия по форме, размеру, звездному составу, но не по стадиям их эволюции в зависимости от расстояния, говорит нам о том, что Вселенная расширяется, и что она не началась со взрыва., С. Патель (Лейденский университет) и команда 3-D-HST)
Хотя это и понятно, когда смотришь и видишь, как все удаляется от нас, причем более дальние объекты удаляются от нас быстрее, думать о Большом Взрыве так же, как о взрыве, мы знаем, что это не так. Хотя вы можете просто проследить пути удаляющихся объектов во Вселенной до одной точки и даже измерить, насколько далеко эта точка находится от вашего конкретного местоположения сегодня, это не скажет вам, как далеко вы находитесь от точки, в которой вы находитесь. котором произошел Большой Взрыв. Вместо этого он сообщает вам, как далеко вы в совокупности были притянуты и оттолкнуты от того места, где вы были бы, если бы на вас не действовали гравитационные силы с момента начала горячего Большого взрыва.
В действительности Вселенная не имеет центра, или, с другой точки зрения, каждая точка пространства и каждый наблюдатель во Вселенной могут в равной степени претендовать на то, чтобы быть в самом центре. Как однажды блестяще выразилась астрофизик Кэти Мак:
“Вселенная расширяется так же, как расширяется ваш разум. Он ни во что не расширяется; ты просто становишься менее плотным».
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!