На всех расстояниях Вселенная расширяется вдоль линии нашего обзора. Но мы не можем измерить движения из стороны в сторону; может он тоже вращается?
Ключевые выводы
- Глядя на Вселенную, мы можем видеть объекты во всех направлениях, простирающиеся на десятки миллиардов световых лет от нас.
- Чем дальше объект, тем быстрее кажется, что он удаляется от нас, при этом стандартное объяснение состоит в том, что ткань пространства расширяется, и мы видим результат прямой видимости того, что.
- Но разумно также спросить, если далекие галактики удаляются быстрее, могут ли они также иметь соответственно большие поперечные движения? И означает ли это, что в результате Вселенная вращается? Это увлекательный вопрос, который стоит изучить.
Каждый раз, когда мы смотрим на Вселенную, мы видим только небольшую часть информации, которая находится там. Глядя на далекий объект, такой как галактика или квазар, мы можем определить, как далеко он находится, измерить его видимую яркость и видимый размер, а также определить, насколько сильно его свет смещен в красную сторону. Это красное смещение дает нам интересную информацию: как быстро, в основном из-за расширения Вселенной, кажется, что эта галактика удаляется от нас?
Но вы также можете задаться вопросом, кажутся ли удаленные объекты очень быстро удаляющимися от нас вдоль линии нашего обзора, а также имеют ли они большие поперечные (или из стороны в сторону) движения? Если да, то может ли Вселенная вращаться, а не расширяться? И если да, то каковы будут последствия этого? Это то, что хочет знать Майк ДеПауло, который пишет, чтобы спросить:
“Мне нравится читать ваши статьи о Вселенной. Вам когда-нибудь задавали вопрос: «Вращается ли Вселенная?»?
Это очень умная идея, и в нее стоит вникнуть. Давай выясним!
Среди своих многочисленных открытий миссия ЕКА Gaia обнаружила, что галактика Млечный Путь не только имеет искривление галактического диска, но и что искривление диска прецессирует и качается, завершая полный оборот за примерно каждые три оборота Солнца (отмечено желтым цветом) вокруг галактического центра. Происхождение вращения Млечного Пути не космическое, а, скорее, считается, что оно возникает из-за относительных гравитационных и приливных сил, действующих на него на различных стадиях формирования галактик.
С нашей точки зрения во Вселенной важно помнить, что мы оба можем и не можем наблюдать напрямую. Когда мы смотрим на свет от удаленного объекта, мы не можем увидеть все его свойства. Конечно, мы можем измерить все фотоны, исходящие от этого объекта, и в них закодировано много информации.
- Мы видим сумму всего звездного света, излучаемого внутренними звездами.
- Любые возбужденные молекулы или атомы, в которых электроны переходят с более высоких энергетических уровней на более низкие, также будут излучать свет, и это часть того, что мы наблюдаем.
- Любые нейтральные атомы или молекулы, находящиеся между излучаемым светом и нашими глазами, будут поглощать свет; этот сигнал также запечатлевается в свете, который мы наблюдаем.
- Геометрия Вселенной - т. е. кривизна пространства повсюду вдоль линии обзора этого объекта - также влияет на свет, и это влияет как на яркость, так и на размер объекта.
- И расширение Вселенной вместе с относительным движением излучающего источника по отношению к нам также отпечатывается на этом свете, изменяя его длину волны с красным или синим смещением.
Это дает нам невероятное количество информации для работы, но во всем этом отсутствует жизненно важная часть информации, которую мы хотели бы иметь: как быстро в направлениях, перпендикулярных нашей линии. -в поле зрения, движется ли каждый объект?
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.
Вы должны помнить, насколько велики расстояния между галактиками, чтобы понять, почему это так. В большинстве случаев все галактики, кроме ближайших, находятся на расстоянии от десятков миллионов до десятков миллиардов световых лет. Даже если бы галактика двигалась в пространстве невероятно быстро - скажем, где-то около 10% скорости света - изменение ее положения с течением времени было бы незаметным. Галактика, которая находится на расстоянии 1 миллиарда световых лет от нас и движется со скоростью 10 % скорости света в поперечном направлении, за десятилетие изменит свое положение всего на 1 световой год.
Мы можем измерить изменения в 1 световой год для некоторых из ближайших звезд в нашей собственной галактике, как мы сделали для звезды 61 Лебедя: первой наблюдаемой звезды, меняющей свое положение с течением времени. Но для галактики, удаленной от нас на миллиард световых лет, это будет соответствовать изменению ее видимого положения всего на 0,2 тысячных угловой секунды за десятилетие, что выходит далеко за пределы современных астрономических технологий..
Даже Андромеда, ближайшая к Млечному Пути крупная галактика, если сравнить ее самую первую фотографию (1888 г.) двигался способом, который можно обнаружить с помощью современных технологий.
Это изображение галактики Андромеды, сделанное Исааком Робертсом в 1888 году, является первой астрономической фотографией другой галактики. Он был снят без каких-либо фотометрических фильтров, поэтому весь свет разных длин волн суммируется. Каждая звезда, входящая в состав галактики Андромеды, с 1888 года не перемещалась на заметное расстояние, что является замечательной демонстрацией того, насколько далеки на самом деле другие галактики.
Но то, что мы не можем что-то наблюдать, не означает, что этого не происходит. Вы можете легко себе представить, что в дополнение к видимым нами движениям по линии прямой видимости, которые становятся все больше и больше, чем дальше находится объект, существуют также существенные поперечные движения объектов во Вселенной. Конечно, кажется, что пространство расширяется на основе движений, которые мы можем вывести из наших наблюдений на линии прямой видимости, но может ли оно также вращаться? Пока величина существующего вращения ниже текущих ограничений, установленных нашими инструментами, эту идею нельзя исключить с помощью наблюдений.
Однако то, что нет никаких ключевых доказательств вращающейся Вселенной, не означает, что мы не можем сказать ничего разумного об этой идее. На самом деле, с теоретической точки зрения, мы можем вывести, как вращающаяся Вселенная будет вести себя в контексте общей теории относительности, а затем обсудить, какие последствия мы ожидаем, если Вселенная вращается.
Прежде чем мы перейдем к реальной Вселенной, давайте начнем с более простого сценария, который поможет нам понять, что вращение добавляет к смеси. Вместо обширной расширяющейся Вселенной давайте начнем с рассмотрения единственной точечной массы, существующей в космосе: невращающейся черной дыры.
Как внутри, так и вне горизонта событий черной дыры Шварцшильда пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите его визуализировать. Но внутри горизонта событий пространство течет быстрее, чем скорость, с которой может двигаться любая квантовая частица: скорость света. В результате все направленные наружу силы не движутся наружу, а вместо этого притягиваются внутрь к центральной сингулярности.
Этот вид черной дыры - черная дыра Шварцшильда - настолько прост, насколько это возможно. Любой объект, который движется в пространстве-времени, определяемом этим распределением масс, будет ощущать, как пространство «течет» к центру черной дыры, причем скорость «потока» увеличивается по мере приближения к самой черной дыре. Чтобы не упасть в черную дыру, вы должны двигаться тем быстрее, чем дальше от черной дыры, либо в поперечном к ней направлении (ведущем к орбите вокруг нее), чем ближе вы подходите.
Как только вы подойдете слишком близко, т. е. в пределах горизонта событий черной дыры, вы не сможете двигаться со скоростью, которая удержит вас от падения. В этот момент все, что вы можете сделать, это приблизиться к центральной сингулярность, и чем ближе вы к ней подходите, тем сильнее будут сокрушительные гравитационные силы. Макроскопические объекты разрываются на составляющие их атомы; атомы разрываются на свои субатомные компоненты; даже протоны и нейтроны распадаются на более фундаментальные кварки и глюоны. Все, что попадает внутрь горизонта событий, в конце концов просто добавляется к массе центральной сингулярности, которая сама по себе является не чем иным, как точкой.
Но если вместо невращающейся черной дыры у вас есть вращающаяся черная дыра, все ведет себя иначе.
Вблизи черной дыры пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите это визуализировать. На горизонте событий, даже если бы вы бежали (или плыли) со скоростью света, не было бы преодоления потока пространства-времени, затягивающего вас в сингулярность в центре. Никто не знает, что происходит в центральной сингулярности.
Единая масса, которая также имеет ненулевое количество собственного углового момента, создает пространство-время, которое сильно отличается от пространства-времени с нулевым угловым моментом. Вместо черной дыры Шварцшильда вы получаете черную дыру Керра. Чтобы дать вам представление о том, насколько сложнее эта сущность, примите во внимание, что решение Шварцшильда было одним из самых первых решений, обнаруженных в общей теории относительности, опубликованным менее чем через два месяца после того, как была раскрыта полная теория. Решение Керра, тем временем, не было обнаружено до тех пор, пока не прошло еще 47 лет: до 1963 года. Его первооткрыватель, Рой Керр, в настоящее время все еще жив в возрасте 88 лет.
Вращающаяся черная дыра обладает рядом свойств, резко отличающихся от невращающейся.
- Вместо одного горизонта событий у него два: внешний горизонт событий и внутренний горизонт событий; из первого не может вырваться свет.
- Есть также область, называемая эргосферой, за пределами горизонта событий: из этой области теоретически возможно извлекать энергию, хотя вся эргосфера всегда находится в пределах радиуса Шварцшильда этой черной дыры. если бы он не вращался.
- Сингулярность представляет собой не одну точку, а одномерное кольцо, диаметр которого пропорционален угловому моменту, которым обладает черная дыра.
- И, возможно, самое главное, если бы вы прошли через круглую область, ограниченную кольцевой сингулярностью, вы бы вышли из известной Вселенной и вошли в то, что физики-теоретики называют антивселенной!
Когда наблюдатель входит в невращающуюся черную дыру, выхода нет: вас раздавит центральная сингулярность. Однако во вращающейся (керровской) черной дыре, проходящей через центр диска, ограниченного кольцевой сингулярностью, может быть и может быть порталом в новую «антивселенную», где вещи обладают совсем другими свойствами, чем наши, известные Вселенная.
Таким образом, можно ожидать, что если мы рассмотрим Вселенную с глобальным общим вращением, она также будет обладать некоторыми причудливыми и неинтуитивными свойствами. Вы не только не будете разочарованы, но и будете удивлены, узнав, что существует точное решение для вращающейся Вселенной в контексте общей теории относительности, и оно было впервые разработано математиком и философом Куртом Гёделем еще в 1949 году. Это известно. как Вселенная Гёделя, и в то время как формы энергии внутри нее включают как однородный фон материи без давления, так и (отрицательную) космологическую постоянную, где материя вращается вокруг одной оси вращения во Вселенной.
Одной примечательной особенностью этого пространства-времени является то, что свет, излучаемый любой частицей материи, сначала спиралевидно выходит наружу, затем образует круговой изгиб, а затем скручивается по спирали внутрь, чтобы вернуться к исходной частице.
Это означает, что, по крайней мере, в определенных направлениях вы можете видеть наружу только на ограниченное расстояние, а кроме того, вы также сможете увидеть себя из более раннего времени.
Возможно, самое замечательное свойство этой Вселенной, однако, заключается в том, что она требует существования внутри нее замкнутых времяподобных кривых.
На этом рисунке показаны два разных типа времениподобных кривых. Вверху (а) изображена физическая визуализация замкнутой времениподобной кривой, где наблюдатель, входящий в один конец гипотетической червоточины, может прыгнуть в прошлое и взаимодействовать со своим прошлым «я», а (б) изображает случай, когда такое взаимодействие отсутствует. происходит: открытая времениподобная кривая.
Замкнутая времениподобная кривая - это потенциально патологическое поведение в математической физике, потому что это означает, что вы можете:
- покиньте исходное местоположение,
- путешествовать по космосу,
- вернитесь в то же место, из которого вы изначально вышли,
- и обнаружите, когда вы вернулись, что ваши временные координаты совпадают со временем, когда вы ушли.
Другими словами, Вселенная, внутри которой есть замкнутые времяподобные кривые, обязательно подразумевает, что вы можете путешествовать назад во времени, в прошлое, со всеми парадоксальными последствиями, которые влечет за собой такой сценарий.
Но вместо того, чтобы рассуждать о том, что произойдет, скажем, если вы убьете своего деда еще до того, как один из ваших родителей был зачат, я бы заверил вас, что эта версия вращающейся Вселенной не описывает нашу собственную. реальность. Во-первых, тип космологической постоянной, которой может обладать наша Вселенная, сильнее по величине и имеет неправильный знак, чтобы согласовываться с наблюдениями темной энергии, которые мы сделали. Во-вторых, Вселенная Гёделя не может расширяться, и мы видим, как она расширяется. Во-вторых, во Вселенной Гёделя не допускается Большой взрыв, мы не можем видеть себя в прошлом, и должно быть столько же объектов, движущихся к нам, сколько и удаляющихся от нас: то, чего мы вообще не видим.
Слева внизу показан фактический сигнал колебаний температуры. На трех других панелях показаны возможные модификации микроволнового неба из-за вращения или других форм анизотропии. Ограничивая величину этих сигналов, мы можем продемонстрировать, насколько изотропной (одинаковой во всех направлениях) и невращающейся на самом деле является Вселенная. Однако индикаторы, отличные от реликтового излучения, не дают результатов, согласующихся с тем, что мы наблюдаем здесь.
Но, возможно, самое важное ограничение, которое мы имеем на вращение во Вселенной, связано с измерением самого раннего света, который мы можем наблюдать: остаточного свечения самого Большого Взрыва. Самый строгий анализ был проведен в 2016 году группой под руководством Даниэлы Сааде, где исследователи отметили, что любое вращение потребует предпочтительной «оси» для Вселенной: той, вокруг которой она вращается. Эта ось, если бы она существовала, привела бы к Вселенной с разными свойствами в разных направлениях: к анизотропной Вселенной. В частности, мы увидим сигналы, связанные с завихрением, как в данных о температуре, так и в данных о поляризации из космического микроволнового фона.
Мы не только обнаружили чрезвычайно строгие ограничения на общее допустимое количество вращения во Вселенной - весь наблюдаемый шебанг должен был повернуться менее чем на одну сотую градуса с момента начала горячего Большого взрыва. - но Вселенная невероятно изотропна: одинакова во всех направлениях. На самом деле, Вселенная расширяется одинаково во всех направлениях, лучше, чем 1 часть на 100 000 даже в самых слабо ограниченных сценариях. Короче говоря, не только нет доказательств того, что Вселенная вращается, но и во всех измерениях космоса, которые мы можем измерить, это указывает на идеальную изотропию: одинаковое поведение во всех направлениях. Вселенная не вращается и не вытянута ни в каком направлении, которое мы можем наблюдать.
Эта трехпанельная анимация показывает: (1) как выглядит фактическое реликтовое излучение, в том числе в поляризациях как E-моды, так и B-моды, (2) ожидаемую модификацию анизотропной или вращающейся Вселенной, и (3) реликтовое излучение, как оно выглядело бы, если бы оно содержало такую модификацию. Данные наиболее согласуются с отсутствием вращения или анизотропии вообще.
Одна из самых важных вещей, которые мы можем сделать, когда дело доходит до понимания Вселенной, в которой мы живем, - это исследовать даже самые смелые теоретические возможности. Поступая таким образом, мы можем извлекать конкретные количественные прогнозы, вытекающие из каждого уникального сценария. Это одновременно дает нам что-то, что нужно искать и на что надеяться, и в то же время позволяет нам ограничить, насколько действительным, жизнеспособным или актуальным для нашей Вселенной может быть такой сценарий. В случае с вращающейся Вселенной доказательства постоянно и решительно против этого, но также важно продолжать исследовать эту возможность с наилучшей доступной точностью.
На самом деле, поскольку наблюдения за Вселенной со временем продолжали улучшаться, сам Гёдель часто спрашивал: «Вращается ли Вселенная еще?» Сегодня с величайшей уверенностью мы можем утверждать, что он не только не вращается, но и сама мысль о том, что его свойства могут отличаться в любом направлении по сравнению с другими, невероятно ограничена. Мы должны всегда осознавать, какие предположения мы делаем, а также насколько хорошо эти предположения проверены, поскольку любое нарушение наших ожиданий может поколебать или даже разрушить основы, на которых мы построили наше представление о реальности.
К счастью, предположение о том, что Вселенная одинакова во всех направлениях, было проверено с величайшей точностью, и никогда не было обнаружено ни вращения, ни растяжения, ни какой-либо другой формы вращения. Теоретически Вселенная может вращаться, но на практике данные просто говорят нам, что это не так.
Отправляйте свои вопросы «Задайте Итану» по адресу startwithabang в gmail dot com!