Вселенная расширяется, и постоянная Хаббла говорит нам, насколько быстро. Но как она может быть постоянной, если расширение ускоряется?
Ключевые выводы
- Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас; это было ключевым свидетельством, необходимым для определения того, что Вселенная расширяется.
- Соотношение между кажущейся скоростью рецессии и расстоянием очень простое и определяется только одним параметром, известным как постоянная Хаббла.
- Но если расширение Вселенной ускоряется, не должно ли это означать, что «постоянная» Хаббла не может быть постоянной? Посмотрим, что говорит наука!
Во всей физике некоторые из наиболее важных свойств, присущих самой Вселенной, являются константами природы. Скорость света в вакууме, сила гравитационного взаимодействия между двумя массами и постоянная, присущая квантовой природе Вселенной, постоянная Планка - все это примеры фундаментальных параметров, которые никогда не меняются, независимо от обстоятельств. Но также возможно, что некоторые из так называемых констант не совсем постоянны, а изменяются либо в пространстве, либо во времени, изменяясь по мере эволюции Вселенной и ее свойств.
Может ли это иметь место для так называемой постоянной Хаббла? На самом деле, имеет ли смысл идея о том, что расширение Вселенной может быть постоянным, в свете того, что мы знаем сегодня? Вот что хочет знать Уоррен Чу, спрашивая:
«Если Перлмуттер и [Рисс] в 1998 году обнаружили, что расширение ускоряется, как может [постоянная Хаббла] быть постоянной, если она медленнее для более удаленных источников и быстрее для более близких??»
Если вы когда-нибудь слышали фразу «Расширение Вселенной ускоряется», а также идею о «постоянной Хаббла», вы, возможно, задавались точно тем же вопросом. В конце концов, ускорение означает, что некоторая скорость увеличивается с течением времени, и если постоянная Хаббла - это скорость расширения Вселенной, она не может быть постоянной. Или может? Давайте погрузимся в науку, чтобы узнать!
Визуальная история расширяющейся Вселенной включает в себя горячее плотное состояние, известное как Большой Взрыв, и последующий рост и формирование структуры. Полный набор данных, включая наблюдения за легкими элементами и космическим микроволновым фоном, оставляет только Большой взрыв в качестве достоверного объяснения всего, что мы видим. По мере расширения Вселенная также охлаждается, позволяя формироваться ионам, нейтральным атомам и, в конечном счете, молекулам, газовым облакам, звездам и, наконец, галактикам.
Для начала мы должны спросить себя, что вообще означает, что Вселенная расширяется. Большинство людей, когда они думают о расширении, думают об этом так же, как о взрыве: ряд осколков, движущихся наружу во всех направлениях, исходящих из одной и той же точки происхождения, но с разной скоростью. Со временем более быстро движущиеся компоненты будут удаляться дальше от источника взрыва и будут иметь большую скорость отступления, в то время как более медленно движущиеся компоненты будут преодолевать более короткое общее расстояние за то же время, обладая меньшими скоростями отступления.
Хотя это правильно для взрыва, расширяющаяся Вселенная работает совсем не так. Во-первых, для космического расширения нет точки происхождения; кажется, что Вселенная расширяется одинаково для всех наблюдателей во всех местах. С другой стороны, при взрыве частицы, которые выбрасываются наружу быстрее всего, имеют наименьшее число, и все же в расширяющейся Вселенной плотность объектов, находящихся дальше и удаляющихся быстрее, выше: полная противоположность тому, что предсказал бы взрыв. И в-третьих, если бы мы проследили все, что удаляется, обратно к единой точке происхождения, это было бы удивительно близко к нам: менее 0,1% размера Вселенной удалено от Млечного Пути. И все же нигде, ни за миллиарды световых лет во всех направлениях, мы не видим ничего особенного или примечательного ни в одной области космоса. Взрыв не объясняет расширение Вселенной.
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.
Вместо этого, гораздо лучшая аналогия для расширяющейся Вселенной - и в отличие от взрыва, которая согласуется с нашей теорией гравитации, общей теорией относительности - это аналогия с разрыхленной буханкой хлеба. Представьте, что по всему хлебу случайным образом разбросана какая-то структура: изюм, семена мака, черника и т. д., и что вначале он упакован в шар в невесомости. А теперь представьте, что вы живете внутри одного из этих объектов, высыпанных в тесто, каждый из которых представляет собой связанную структуру, такую как галактика или группа/скопление галактик, и что тесто, хотя и присутствует, совершенно невидимо для вас. в каждом пути.
Со временем тесто заквасится, и это заквашивание похоже на расширение пространства. Но поскольку тесто невидимо, вы увидите другие частички структуры, разбросанные по всему тесту. Чем ближе каждая изюминка/маковое семя/черника начиналась с вашей, тем медленнее будет казаться, что она удаляется от вас, и тем ближе она будет с течением времени. Но чем дальше оно началось, тем дальше оно будет и тем быстрее будет казаться, что оно отступает. В какой-то момент, если ваш шар из дрожжевого теста достаточно велик, достаточно удаленный объект (или галактика) окажется так далеко и будет удаляться так быстро, что свет от него не сможет достичь вас. Учитывая, что Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, имеет конечный возраст, начавшись с горячего Большого взрыва около 13,8 миллиардов лет назад, существуют пределы как нашей наблюдаемости, так и того, как далеко мы можем зайти.
Размер нашей видимой Вселенной (желтый), а также объем, которого мы можем достичь (пурпурный), если сегодня отправимся в путешествие со скоростью света. Предел видимой Вселенной составляет 46,1 миллиарда световых лет, так как это предел того, насколько далеко будет объект, излучающий свет, который достиг бы нас только сегодня, после удаления от нас в течение 13,8 миллиардов лет. Все, что происходит прямо сейчас в радиусе 18 миллиардов световых лет от нас, в конечном итоге достигнет нас и повлияет на нас; ничего дальше этой точки не будет. Каждый год еще около 20 миллионов звезд переходят порог из досягаемости в недосягаемость.
Так если это то, на что похожа расширяющаяся Вселенная, то что такое «постоянная Хаббла»?
Очень просто, если мы посмотрим из нашего местоположения во Вселенной - и помните, в физике местоположение означает и «здесь», и «сейчас», и для его полного определения требуются три координаты пространства и одна временная координата. - мы увидим объекты, свет которых попадает в наши глаза прямо сейчас, в это самое мгновение. В этом свете будет закодировано огромное количество информации.
- Основываясь на общей величине яркости, которую мы наблюдаем, что свет обладает, пока мы знаем, какова внутренняя яркость излучающего его объекта, мы можем определить, как далеко находится этот объект.
- Основываясь на видимом размере, мы наблюдаем, что излучающий свет объект обладает, пока мы знаем, насколько велик объект по своей природе, мы можем (независимо от первого метода!) определить, как далеко этот излучающий свет объект. объект.
- Основываясь на том, насколько значительно свет от этого объекта систематически смещается по длине волны в сторону более длинных волн, мы можем определить - вплоть до неопределенности фактического движения объекта из-за кумулятивного гравитационного притяжения всего на это - насколько быстро этот объект удаляется от нас из-за расширения Вселенной.
- И, основываясь на ряде измеримых внутренних свойств объекта, таких как период просветления-и-тускнения-и-переярчения переменной звезды, мы можем (опять же независимо) определить расстояние до этого объекта.
Когда мы выполняем эти измерения, а это задача, которую мы выполняли в течение почти полных 100 лет на данный момент, мы можем построить график того, как далеко находится объект (расстояние) в зависимости от того, как быстро он кажется, удаляется (космологическое красное смещение) от нас.
Использование лестницы космических расстояний означает сшивание воедино различных космических масштабов, где всегда беспокоит неуверенность в том, где соединяются разные «ступени» лестницы. Как показано здесь, мы сейчас опустились всего на три «ступени» на этой лестнице, и полный набор измерений прекрасно согласуется друг с другом.
Как видно из приведенного выше графика, почти каждый объект, который мы можем измерить, подчиняется точно такому же соотношению. Это самый простой и простой способ измерения расширения Вселенной. Вы откладываете некоторую меру «расстояния» по оси X и некоторую меру «красного смещения» или «предполагаемой скорости отступления» по оси Y, и вы можете легко увидеть, что это простое соотношение: уравнение для прямой линии.
Каков наклон этой линии?
Вот что на самом деле представляет собой «постоянная Хаббла».
Если бы линия была не прямой, а изогнутой вверх, вниз или еще как-нибудь посложнее, мы не имели бы права называть ее константой. Если бы линия образовывала параболу или любую другую форму, кроме прямой линии, это была бы функция, зависящая от расстояния. Все, кроме прямой зависимости между расстоянием и «кажущейся скоростью рецессии», означало бы, что мы не можем описать эту зависимость константой. И все же, как бы мы ни производили наши измерения, мы всегда получаем прямую линию. Вся напряженность вокруг постоянной проблемы Хаббла спорит о том, каков наклон линии: две команды расходятся во мнениях примерно на уровне ~9%, но обе команды, включая совместный анализ между командами, выступают за прямую линию.
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.
Но вы были правы, подозревая, что хотя это и прямая линия, есть очень важное предостережение относительно того, чтобы называть этот параметр константой: прямо сейчас он является константой только для нас, потому что мы измеряем расширение Вселенной в один момент времени. Из-за нашего местоположения во Вселенной - и помните, местоположение означает как «где вы находитесь в космосе?» (для чего нужно 3 координаты) и «когда ты успеваешь?» (для чего требуется 1 координата) - все, что мы измеряем, измеряется прямо сейчас: когда свет от этих далеких объектов достигает наших глаз и телескопов.
Если бы мы жили в более далеком будущем, мы бы по-прежнему измеряли ту же прямолинейную зависимость между расстоянием и кажущейся скоростью отступления, но наклон линии был бы равен другое: оно имеет меньшую стоимость, чем сегодня.
И если бы мы жили в более далеком прошлом, мы бы по-прежнему измеряли прямолинейную зависимость между расстоянием и кажущейся скоростью отступления, но наклон этой линии был бы другим. еще раз: обладая большей ценностью, чем сегодня.
Почему это так?
Фотография Итана Сигела у гиперстены Американского астрономического общества в 2017 году вместе с первым уравнением Фридмана справа. Первое уравнение Фридмана детализирует квадрат скорости расширения Хаббла в левой части, который управляет эволюцией пространства-времени. Правая часть включает в себя все различные формы материи и энергии, а также пространственную кривизну (в конечном итоге), которая определяет, как Вселенная будет развиваться в будущем. Это уравнение было названо самым важным уравнением во всей космологии, и оно было выведено Фридманом в его современной форме еще в 1922 году.
Потому что - и это одно из замечательных свойств Вселенной - если у вас есть Вселенная, примерно равномерно заполненная энергией, любой формы или комбинации форм, во всех местах и во всех направлениях, он будет либо расширяться, либо сжиматься. А скорость, с которой он расширяется или сжимается, определяется одним простым и понятным уравнением: первым уравнением Фридмана.
Да, это не самое простое уравнение для решения, но оно простое и понятное в том смысле, что каждый термин в уравнении можно понять на простом английском языке. Вот что означает каждый из них.
- Слева есть термин, который представляет изменение масштаба Вселенной, деленное на масштаб Вселенной; это определение того, что мы традиционно называем постоянной Хаббла, которая определяет, как Вселенная расширяется или сжимается во времени.
- Справа первый член представляет всю материю и энергию во Вселенной во всех ее различных формах: нормальная материя, темная материя, излучение, нейтрино и т. д.
- Второй член в правой части представляет собой глобальную кривизну пространства-времени и определяет, является ли Вселенная открытой, закрытой или пространственно плоской.
- И третий и последний член в правой части - это космологическая постоянная Эйнштейна, которая определяет энергию, которую нельзя извлечь из самого пространства.
Даже если бы у вас была плоская Вселенная (что означает, что вы можете исключить второй член в правой части) и Вселенная без космологической постоянной (что означало бы исключение третьего члена в правой части), стороны тоже), вы бы сразу поняли, что «постоянная» Хаббла не может быть постоянной во времени.
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.
Подумайте об этом: мы знаем некоторые формы материи и энергии во Вселенной. Есть обычная материя, состоящая из фиксированного числа частиц, и по мере того, как Вселенная расширяется, увеличиваясь в объеме, число частиц остается постоянным, и поэтому плотность материи уменьшается. Есть фотоны, которые движутся со скоростью света и имеют энергию, определяемую их длиной волны; по мере расширения Вселенной числовая плотность фотонов уменьшается, а их длина волны увеличивается, а это означает, что их плотность энергии уменьшается даже быстрее, чем плотность энергии материи.
И, если хотите, вы также можете добавить дополнительные виды энергии. Можно представить темную энергию не как космологическую константу, а как форму энергии, присущую пространству: по мере расширения пространства плотность энергии остается постоянной. Вы можете представить темную материю, которая будет вести себя точно так же, как нормальная материя в отношении ее влияния на расширение Вселенной. Вы можете добавить нейтрино, которые ведут себя как излучение в ранней Вселенной (когда они движутся со скоростью, близкой к скорости света), а позже ведут себя как материя (когда они движутся медленно по сравнению со скоростью света).
Во всех случаях, кроме космологической постоянной (т.е. темной энергии, насколько мы понимаем), плотность энергии изменяется по мере расширения Вселенной.
Различные компоненты и вклады в плотность энергии Вселенной, и когда они могут преобладать. Обратите внимание, что излучение доминирует над материей примерно в течение первых 9000 лет, затем преобладает материя и, наконец, появляется космологическая постоянная. (Другие не существуют в заметных количествах.) Нейтрино сначала ведут себя как излучение, а затем как материя. Тем не менее, темная энергия может не быть космологической константой в точности и могла бы эволюционировать, если бы мы неверно предположили ее природу.
Если изменяется плотность энергии, это означает, что изменяется и скорость расширения. Постоянная Хаббла постоянна везде в пространстве, как мы ее сейчас измеряем. Это не константа в том смысле, что она меняется со временем.
На самом деле, если мы захотим, мы можем наметить, как, по нашим ожиданиям, размер Вселенной изменится со временем из-за различных форм энергии, присутствующих в ней.
По мере роста Вселенной она становится менее плотной, и плотность падает. Первоначально самой важной формой энергии было излучение, поэтому скорость расширения быстро падала. Позже материя становится более важной, чем радиация, поэтому скорость расширения все еще падает, но не так быстро, как когда радиация была доминирующим игроком в игре. Совсем недавно темная энергия стала более важной, чем даже материя, и поэтому скорость расширения сейчас падает очень медленно: падают только «вклады материи и энергии» в плотность энергии. В далеком будущем, когда компоненты материи и энергии станут пренебрежимо малы, плотность энергии (которая будет равна 100% за счет темной энергии) останется постоянной, а скорость расширения не только перестанет падать, а значит, расширение станет экспоненциальным..
Размер Вселенной (ось Y) в зависимости от возраста Вселенной (ось X) в логарифмическом масштабе. При необходимости отмечены некоторые вехи размера и времени. Можно продолжать экстраполировать это вперед и назад во времени, но только до тех пор, пока существующие сегодня компоненты энергии не имеют переходных точек.
Если бы мы проследили за тем, как постоянная Хаббла меняется со временем - и да, называть ее «постоянной Хаббла» чрезвычайно глупо, особенно когда у нас есть гораздо лучший термин, который мы также используем: Хаббл Параметр - мы обнаружим, что вначале он большой, падает, падает и падает, но затем, когда темная энергия становится доминирующей, он падает все медленнее и медленнее. Вместо того, чтобы приближаться к нулю, она асимптотирует к конечному положительному значению, определяемому плотностью темной энергии. В далеком будущем параметр Хаббла достигнет минимального значения 55-60 км/с/Мпк; она никогда не упадет ниже этой отметки.
Итак, если скорость расширения, то есть параметр Хаббла, не увеличивается, что это значит, что «Расширение Вселенной ускоряется?»
Это означает, что если вы наблюдаете, как далекая галактика удаляется от нас, то видимая скорость ее удаления становится все быстрее и быстрее с течением времени. Другими словами, кажется, что отдельные объекты удаляются от нас с ускорением, но сама скорость расширения все время падает. Если бы это зависело от меня, мы бы говорили о:
- ускоренные галактики/удаленные объекты, не ускоренное расширение,
- падение (но не до нуля) скорости расширения, а не ускорение расширения,
- и параметр Хаббла, а не постоянная Хаббла.
Но не мне решать, как называть вещи; Я просто должен объяснить, что они на самом деле значат для вас. Надеюсь, теперь вы лучше понимаете, как расширяется Вселенная и что все это значит, и в следующий раз, когда кто-то спросит вас об этом, вы вспомните, куда их отправить: прямо сюда!
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!