Rozpínání vesmíru

Měření expanze a změny sazby daně z expansionEdit

V zásadě platí, že rozpínání vesmíru by mohlo být měřeno při standardní pravítko a měření vzdálenosti mezi dvěma cosmologically vzdálené body, čeká určitou dobu, a pak měří vzdálenost znovu, ale v praxi, standardní pravítka, které není snadné najít na kosmologických škálách a časových lhůt, během nichž měřitelné expanze by být viditelné jsou příliš velké, aby být pozorovatelné i několik generací lidí. Rozšíření prostoru se měří nepřímo., Teorie relativity předpovídá jevy spojené s rozšířením, zejména rudý posuv-versus-vzdálenosti vztah známá jako Hubbleova Zákona; funkční formy pro kosmologické vzdálenosti měření, které se liší od toho, co by se očekávat, že pokud se prostor nerozpíná, a pozorovatelné změny hmoty a hustoty energie vesmíru vidět na různých lookback krát.

první měření expanze prostoru přišlo s Hubbleovou realizací vztahu rychlost vs. redshift., Nejvíce nedávno, porovnáním zdánlivý jas vzdálených standardní svíčky pro rudý posuv z jejich hostitelských galaxií, rozpínání vesmíru byla měřena být H0 = 73.24 ± 1.74 (km/s)/Mpc. To znamená, že pro každý milion parseků vzdálenosti od pozorovatele je světlo přijaté z této vzdálenosti kosmologicky redshifted asi 73 kilometrů za sekundu (160 000 mph). Na druhou stranu, za předpokladu kosmologického modelu, např. Lambda-CDM modelu, lze odvodit Hubbleovu konstantu od velikosti největších výkyvů pozorovaných v kosmickém mikrovlnném pozadí., Vyšší Hubbleova konstanta by znamenala menší charakteristickou velikost výkyvů CMB a naopak. Planck collaboration měření rychlosti rozpínání tímto způsobem, a zjistit, H0 = 67.4 ± 0,5 v (km/s)/Mpc. Mezi oběma měřeními existuje neshoda, distanční žebřík je nezávislý na modelu a měření CMB v závislosti na namontovaném modelu, což naznačuje novou fyziku nad rámec našich standardních kosmologických modelů.

parametr Hubble není považován za konstantní v průběhu času. Na částice ve vesmíru působí dynamické síly, které ovlivňují rychlost expanze., To bylo dříve se očekávalo, že Hubbleův parametr by být snižující se, jak šel čas vlivem gravitační interakce ve vesmíru, a tak je tu další pozorovatelné množství ve vesmíru tzv. decelerační parametr, který kosmologové očekává, že bude přímo týkají hustoty hmoty vesmíru. Překvapivě, decelerační parametr byl měřen pomocí dvou různých skupin menší než nula (ve skutečnosti, v souladu s -1), což znamená, že dnes Hubbleův parametr je konvergující ke konstantní hodnotu, jak čas pokračuje., Někteří kosmologové rozmarně nazývají efekt spojený s“ zrychlujícím se vesmírem „“kosmickým trhnutím“. Za objev tohoto jevu byla udělena Nobelova cena za fyziku v roce 2011.

V říjnu 2018, vědci představili nový, třetí způsob (dva starší metody, založené na redshifts a další na kosmické vzdálenosti žebřík, dal výsledky, které nesouhlasí), za použití informací ze gravitačních vln události (zejména ty, zahrnující sloučení neutronových hvězd, jako GW170817), stanovení Hubbleova Konstanta, zásadní pro stanovení rychlosti expanze vesmíru.,

Měření vzdáleností v rozšiřování spaceEdit

Na kosmologických škálách současný vesmír je geometricky plochý, což znamená, že pravidla Euklidovský geometrie související s Euclid ‚ s páté postulát držet, i když v minulosti se může časoprostor byly velmi zakřivené. V části přizpůsobit, jako různých geometrií, rozpínání vesmíru je ve své podstatě obecné relativistické; nemůže být modelovány s speciální teorie relativity sama, i když takové modely existují, jsou v zásadním rozporu s pozorované interakce mezi hmotou a časoprostoru vidět v našem vesmíru.,

obrázky vpravo ukazují dva pohledy na časoprostorové diagramy, které ukazují rozsáhlou geometrii vesmíru podle kosmologického modelu ΛCDM. Dva rozměry prostoru jsou vynechány, přičemž jeden rozměr prostoru (rozměr, který roste, jak se kužel zvětšuje) a jeden čas (rozměr, který pokračuje „nahoru“ kuželovým povrchem)., Úzké kruhové konce diagramu odpovídá kosmologický čas 700 milionů let po velkém třesku, zatímco široký konec je kosmologický čas 18 miliard let, kde je možné vidět začátek zrychlující se expanze jako rozpěrná ven z časoprostoru, rys, který nakonec dominuje v tomto modelu. Fialové čáry mřížky označují kosmologický čas v intervalech jedné miliardy let od Velkého třesku. Azurová mřížky označit z comoving vzdálenost v intervalech jedné miliardy světelných let, v současné době (méně v minulosti, a v budoucnu více)., Všimněte si, že kruhový curling povrchu je artefakt vkládání se žádný fyzikální význam a je provedeno čistě, aby se ilustrace viditelná; prostor není ve skutečnosti curl kolem sebe. (Podobný účinek lze vidět v tubulárním tvaru pseudosféry.)

hnědá čára na obrázku je worldline na Zemi (nebo v dřívějších dobách, věci, které kondenzovaly, aby vznikly Země). Žlutá čára je světovou linií nejvzdálenějšího známého kvasaru., Červená čára je cesta světelného paprsku vyzařovaného quasar asi před 13 miliardami let a dosažení Zemi v současnosti. Oranžová čára ukazuje dnešní vzdálenost mezi quasar a Země, o 28 miliard světelných let, což je, zejména, větší vzdálenost, než je stáří vesmíru násobí rychlostí světla: ct.

podle principu ekvivalence obecné relativity jsou pravidla zvláštní relativity místně platná v malých oblastech časoprostoru, které jsou přibližně ploché., Zejména, světlo vždy cestuje lokálně rychlostí c; v našem diagramu, to znamená, že podle úmluvy o stavbě časoprostoru diagramy, které světelné paprsky vždy dělat úhlu 45° s místní mřížku. Nesleduje však, že světlo cestuje vzdáleností ct v čase t,jak ukazuje červená světová čára. I když to se vždy pohybuje lokálně na c, jeho čas v tranzitu (asi 13 miliard let) není ve vztahu k ujeté vzdálenosti v žádný jednoduchý způsob, protože se vesmír rozpíná, jak světelný paprsek prochází prostorem a časem., Ve skutečnosti je ujetá vzdálenost neodmyslitelně nejednoznačná kvůli měnícímu se měřítku vesmíru. Nicméně, můžeme vyčlenit dvě vzdálenosti, které se zdají být fyzicky smysluplné: vzdálenost mezi zemí a quasar, když je světlo emitováno, a vzdálenost mezi nimi v současné době (přičemž řez kužele podél dimenze, které jsme vyhlásili být prostorová dimenze)., Bývalý vzdálenost je asi 4 miliardy světelných let, mnohem menší než ct, protože se vesmír rozpínal jako světlo ujetou vzdálenost, světlo, musel „běžet proti běžícím pásu“, a proto šel dál, než je počáteční vzdálenost mezi zemí a quasar. Druhá vzdálenost (zobrazená oranžovou čárou) je asi 28 miliard světelných let, mnohem větší než ct., Pokud expanze by mohla být okamžitě zastaven, dnes, to bude trvat 28 miliard let pro světlo k cestování mezi zemí a quasar zatímco v případě expanze se zastavila na dřívější čas, to by trvalo jen 4 miliardy let.,

světlo trvalo mnohem déle, než 4 miliardy let se k nám dostat i když to bylo emitováno pouze 4 miliardy světelných let daleko, a ve skutečnosti, vyzařované světlo k Zemi, byla ve skutečnosti vzdaluje od Země, kdy byla poprvé emitovány, v tom smyslu, že metrické vzdálenosti k Zemi zvýšil s kosmologický čas pro prvních několika miliard let své cestovní čas, a také naznačuje, že rozšíření prostoru mezi zemí a quasar v rané době byl rychlejší, než je rychlost světla., Nic z tohoto překvapivého chování nepochází ze zvláštní vlastnosti metrické expanze, ale jednoduše z místních principů speciální relativity integrovaných přes zakřivený povrch.

Topologie rozšíření spaceEdit

v průběhu času se prostor, který tvoří vesmír, rozšiřuje. Slova „prostor“ a „vesmír“, někdy zaměnitelně používaná, mají v tomto kontextu odlišné významy., Zde „prostor“ je matematický pojem, který je zkratka pro tří-dimenzionální potrubí, do kterého naše příslušné pozice jsou vloženy, zatímco „universe“ se odkazuje na vše, co existuje, včetně hmoty a energie ve vesmíru, extra-dimenze, které mohou být zabalené v různých řetězců, a čas, skrze které se různé akce konají. Rozšíření prostoru se týká pouze tohoto 3D potrubí; to znamená, že popis nezahrnuje žádné struktury, jako jsou další rozměry nebo vnější vesmír.,

konečný topologie prostoru je dodatečně – něco, co v zásadě musí být dodržovány – jak tam jsou žádné omezení, že může jednoduše být odůvodněná (jinými slovy nemůže být žádná apriorní omezení), jak prostor, ve kterém žijeme, je připojen, nebo zda to zábaly kolem sebe jako kompaktní prostor., I když některé kosmologické modely, jako jsou Gödelova vesmíru i povolení bizarní worldlines, které se protínají s sebou, nakonec otázka, zda jsme na něco jako „Pac-Man vesmíru“, kde cestujete-li dost daleko v jednom směru by prostě skončit zpátky ve stejném místě, jako je jít celou cestu kolem povrchu balónu (nebo planetu, jako je Země) je observační otázku, která je omezena jako měřitelné nebo neměřitelné tím, že vesmír je globální geometrie., V současné době pozorování jsou v souladu s, že vesmír je nekonečný v rozsahu a jednoduše připojí, když jsme omezeni v rozlišování mezi jednoduché a složitější návrhy kosmologické horizonty., Vesmír mohl být nekonečný v rozsahu nebo by to mohl být konečný, ale důkazy, které vede k inflačním modelem raného vesmíru také znamená, že „celková vesmíru“, je mnohem větší než pozorovatelný vesmír, a tak všechny hrany, nebo exotických tvarů nebo topologie by neměla být přímo pozorovatelná jako světlo nedosáhlo váhy, na nichž tyto aspekty vesmíru, pokud existují, jsou stále povoleny. Pro všechny záměry a účely je bezpečné předpokládat, že vesmír je nekonečný v prostorovém rozsahu, bez okraje nebo podivného spojení.,

bez Ohledu na celkový tvar vesmíru, na otázku, co vesmír se rozpíná, je ten, který nevyžaduje odpověď podle teorií, které popisují rozšíření, způsob, jakým definujeme prostor v našem vesmíru v žádném případě nevyžaduje další vnější prostor, do kterého můžete rozšířit, protože rozšíření nekonečnou rozlohu se může stát, aniž by se změnila nekonečný rozsah expanze. Jisté je pouze to, že množství prostoru, ve kterém žijeme, má prostě tu vlastnost, že vzdálenosti mezi objekty se s postupem času zvětšují., To znamená pouze jednoduché pozorovací důsledky spojené s metrickou expanzí zkoumanou níže. Žádné“ venku “ nebo vkládání do hyperprostoru není nutné, aby došlo k expanzi. Vizualizace, které jsou často vidět, jak vesmír roste jako bublina do nicoty, jsou v tomto ohledu zavádějící. Není důvod věřit, že existuje něco „mimo“ rozšiřujícího se vesmíru, do kterého se vesmír rozšiřuje.,

i když je celkový prostorový rozsah nekonečný a vesmír tak nemůže získat žádné „větší“, stále říkáme, že prostor se rozšiřuje, protože Lokálně se zvyšuje charakteristická vzdálenost mezi objekty. Jak nekonečný prostor roste, zůstává nekonečný.

Hustota vesmíru během expansionEdit

Přesto, že je velmi hustá, když velmi mladý a během části jeho rané expanze – daleko hustší, než je obvykle nutné k vytvoření černé díry – vesmír se znovu zhroutí do černé díry., Je to proto, že běžně používané výpočty pro gravitační kolaps jsou obvykle založeny na objekty relativně konstantní velikosti, jako jsou hvězdy, a nevztahují se na rychle se rozšiřující prostor jako Velký Třesk.

účinky expanze na malé stupniceedit

expanze prostoru je někdy popisována jako síla, která působí na posunutí objektů od sebe. Ačkoli se jedná o přesný popis účinku kosmologické konstanty, nejedná se o přesný obraz fenoménu expanze obecně.,

kromě zpomalení celkové expanze způsobuje gravitace lokální shlukování hmoty do hvězd a galaxií. Jakmile jsou objekty vytvořeny a vázané gravitací, že „drop out“ expanze, a ne následně rozšířit pod vlivem kosmologické metrické, tam je žádná síla, donutí je, aby tak učinily.,

neexistuje žádný rozdíl mezi inerciální expanzí vesmíru a inerciální separací blízkých objektů ve vakuu; první z nich je jednoduše rozsáhlá extrapolace druhého.

jakmile jsou objekty vázány gravitací, již od sebe ustupují. Galaxie Andromeda, která je vázána na galaxii Mléčné dráhy, tedy k nám skutečně klesá a nerozšiřuje se. V rámci místní skupiny gravitační interakce změnily inerciální vzorce objektů tak, že nedochází k žádné kosmologické expanzi., Jednou jde nad rámec Místní Skupiny, inerciální expanze je měřitelné, i když systematické gravitační účinky vyplývá, že větší a větší části prostoru bude nakonec vypadne „Hubble Flow“ a skončit jako vázané, non-rozšiřující předměty až do váhy superclusters galaxií. Můžeme předvídat budoucí události, když nevím přesnou cestu Hubbleova Tok se mění, stejně jako masy objekty, které jsou gravitačně vytáhl., V současné době, Místní Skupina je gravitačně vytáhl směrem buď nadkupě galaxií Shapley nebo „Velký Atraktor“, s níž, pokud temná energie nebyly herectví, jsme se nakonec sloučit a již není vidět, rozšířit od nás po takové době.

důsledkem metrické rozšíření je vzhledem k inerciální pohyb je, že jednotný místní „exploze“ hmoty do vakua lze lokálně popsat pomocí FLRW geometrii, stejné geometrie, který popisuje expanzi vesmíru jako celku a je také základem pro jednodušší Milne vesmíru, který ignoruje účinky gravitace., Zejména obecné relativity předpovídá, že světlo se bude pohybovat rychlostí c s ohledem na místní pohyb explodující hmoty, jev analogický k rámu tažením.

situace se poněkud mění se zavedením temné energie nebo kosmologické konstanty. Kosmologickou konstantu vzhledem k vakuu hustota energie má za následek přidání odpudivé síly mezi objekty, která je úměrná (ne nepřímo úměrná) na vzdálenost. Na rozdíl od setrvačnosti aktivně „táhne“ na objekty, které se shlukly pod vlivem gravitace a dokonce i na jednotlivé atomy., Nicméně, to není způsobit objektů roste, nebo se rozpadne, pokud jsou velmi slabě vázány, budou jednoduše usadit do rovnovážného stavu, který je mírně (nezjistitelné změny dat), které jsou větší, než by jinak byly. Jak se vesmír rozpíná a hmota v něm tenčí, gravitační přitažlivost klesá (protože je proporcionální k hustotě), zatímco kosmologický odpor zvyšuje; tedy konečný osud ΛCDM vesmíru je téměř vakuum rozšiřuje na stále rostoucí míra pod vlivem kosmologické konstanty., Nicméně, pouze lokálně viditelný účinek zrychlující se expanze je zmizení (runaway rudý posuv) vzdálených galaxií; gravitačně vázané objekty, jako jsou Mléčné dráhy neroztahuje a galaxie v Andromedě se pohybuje dostatečně rychle vůči nám, že to bude ještě sloučit s Mléčnou dráhou za 3 miliardy let času, a to je také pravděpodobné, že se spojil supergalaxy, že formy budou nakonec klesat v a sloučení s nedalekou Virgo Clusteru. Galaxie ležící dále od toho však ustupují stále rostoucí rychlostí a budou redshifted mimo náš rozsah viditelnosti.,

Metrický expanze a rychlost lightEdit

Na konci raného vesmíru je inflační období, veškeré hmoty a energie ve vesmíru byla stanovena na inerciální trajektorie v souladu s princip rovnocennosti a Einsteinovy obecné teorie relativity a to je, když přesné a pravidelné forma vesmíru je expanze má svůj původ (to znamená, že hmota ve vesmíru je oddělovat, protože to bylo oddělení v minulosti v důsledku inflaton pole).,

Zatímco speciální teorie relativity zakazuje objekty z pohybující se rychleji než světlo, s ohledem na místní referenční snímek, kde časoprostor může být zacházeno jako rovný a neměnný, to se nevztahuje na situace, kdy zakřivení časoprostoru nebo vývoj v čase jsou důležité. Tyto situace jsou popsány obecnou relativitou, která umožňuje oddělení mezi dvěma vzdálenými objekty zvýšit rychleji než rychlost světla, ačkoli definice „vzdálenosti“ se zde poněkud liší od definice použité v inerciálním rámu., Definice vzdálenosti použité zde je součet nebo integrace místních comoving vzdáleností, vše provedeno v konstantní místní správný čas. Například, galaxií, které jsou větší než Hubbleův poloměr přibližně 4,5 gigaparsecs nebo 14,7 miliardy světelných let daleko od nás mají recesi rychlost, která je rychlejší než rychlost světla. Viditelnost těchto objektů závisí na přesné historii expanze vesmíru., Světlo, které je vyzařováno dnes z galaxie za více vzdálené kosmologický horizont událostí, o 5 gigaparsecs nebo 16 miliard světelných let, nikdy se k nám dostat, i když stále můžeme vidět světlo, které tyto galaxie emitované v minulosti. Vzhledem k vysoké rychlosti expanze je také možné, aby vzdálenost mezi dvěma objekty byla větší než hodnota vypočtená vynásobením rychlosti světla věkem vesmíru. Tyto detaily jsou častým zdrojem zmatku mezi amatéry a dokonce i profesionálními fyziky., Vzhledem k non-intuitivní povaze předmětu a to, co bylo popsáno jako „neopatrný“ volby znění, některé popisy metrické rozšíření prostoru a mylné představy, na které takový popis může vést, jsou předmětem diskuse v oblasti vzdělávání a komunikace vědeckých pojmů.

Scale factorEdit

na základní úrovni je expanze vesmíru vlastností prostorového měření na největších měřitelných stupnicích našeho vesmíru., Vzdálenosti mezi kosmologicky relevantními body se zvyšují s postupem času, což vede k pozorovatelným účinkům uvedeným níže. Tato funkce vesmíru mohou být charakterizovány jediným parametrem, který se nazývá faktor měřítka, který je funkcí času a jednu hodnotu pro celý prostor v každém okamžiku (pokud je faktor měřítka jsou funkce prostoru, to by bylo v rozporu kosmologický princip). Podle konvence je faktor měřítka nastaven na jednotu v současné době a protože se vesmír rozšiřuje, je v minulosti menší a v budoucnu větší., Extrapolaci zpět v čase s určitou kosmologické modely přinese okamžik, kdy měřítko bylo nula, naše současné chápání kosmologie nastaví se tento čas na 13.799 ± 0.021 miliardami let. Pokud se vesmír neustále rozšiřuje, faktor měřítka se v budoucnu přiblíží nekonečnu. V zásadě neexistuje žádný důvod, proč by expanze vesmíru měla být monotónní a existují modely, kde v určitém okamžiku v budoucnu faktor měřítka klesá s doprovodným kontrakcí prostoru spíše než expanzí.,

Další konceptuální modely expansionEdit

rozšíření prostoru je často ilustrován konceptuální modely, které ukazují pouze velikost prostoru v určitém čase, takže rozměr času implicitní.

V „ant na gumové lano model“ představuje jeden mravenec (idealizované jako pointlike) plazí při konstantní rychlosti na dokonale pružné lano, které je neustále protahování., Pokud bychom natáhnout lano v souladu s ΛCDM faktor měřítka a myslím, že ant není rychlost jako rychlost světla, pak tato analogie je numericky přesné – ant pozici v průběhu času bude odpovídat cestu z červené čáry na vkládání obrázku výše.

v „modelu pryžového plechu“ nahrazuje lano plochým dvourozměrným gumovým plechem, který se rovnoměrně rozšiřuje ve všech směrech. Přidání druhého prostorového rozměru zvyšuje možnost zobrazení lokálních poruch prostorové geometrie lokálním zakřivením v listu.,

v“ balónovém modelu “ je plochý list nahrazen sférickým balónem, který je nafouknut z počáteční velikosti nuly (představující velký třesk). Balón má pozitivní Gaussova křivost, zatímco pozorování naznačují, že skutečný vesmír je prostorově ploché, ale tento rozpor lze odstranit tím, že balón velmi velký, takže to, že je lokálně plochý, aby v rámci pozorování. Tato analogie je potenciálně matoucí, protože nesprávně naznačuje, že velký třesk se konal ve středu balónu., Ve skutečnosti body z povrchu balónu nemají žádný význam, i když byly obsazeny balónem dříve.

V „raisin chleba model“ představuje jeden bochník s rozinkami chleba rozšíření v troubě. Bochník (prostor) se rozšiřuje jako celek, ale rozinky (gravitačně vázané předměty) se nerozšiřují; pouze rostou dál od sebe.