Udvidelse af universet

måling af ekspansion og ændring af ekspansionshastighedredit

I princippet en udvidelse af universet kunne være målt ved at tage en standard lineal og måler afstanden mellem to cosmologically fjerntliggende punkter, der venter på et bestemt tidspunkt, og derefter måle afstanden igen, men i praksis, standard herskere er ikke let at finde på kosmologiske skalaer og den tid, i hvilken en målbar udvidelse ville være synlige, er for stor til at kunne ses, selv efter flere generationer af mennesker. Udvidelsen af rummet måles indirekte., Relativitetsteorien forudsiger fænomener forbundet med udvidelsen, især redshift-versus-distance-forholdet kendt som Hubbles lov; funktionelle former for kosmologiske afstandsmålinger, der adskiller sig fra, hvad der ville forventes, hvis rummet ikke ekspanderede; og en observerbar ændring i universets stof og energitæthed set på forskellige tilbagekoblingstider.

den første måling af udvidelsen af rummet kom med Hubbles realisering af velocity vs redshift relationen., Senest ved at sammenligne den tilsyneladende lysstyrke af fjerne standardlys med rødforskydningen af deres værtsgalakser er universets ekspansionshastighed målt til at være H0 = 73.24.1.74 (km/s)/MPC. Det betyder, at for hver million parsecs af afstand fra observatøren er lyset modtaget fra denne afstand kosmologisk rødforskudt med omkring 73 kilometer i sekundet (160.000 mph). På den anden side kan man ved at antage en kosmologisk model, f.eks. Lambda-CDM-model, udlede Hubble-konstanten ud fra størrelsen af de største udsving, der ses i den kosmiske Mikrobølgebaggrund., En højere Hubble konstant ville indebære en mindre karakteristisk størrelse af CMB udsving, og omvendt. Planck-samarbejdet måler ekspansionshastigheden på denne måde og bestemmer H0 = 67.4 0.5 0.5 (km/s)/MPC. Der er uenighed mellem de to målinger, idet afstandsstigen er modeluafhængig og CMB-målingen afhængig af den monterede model, der antyder ny fysik ud over vores standardkosmologiske modeller.

Hubble-parameteren menes ikke at være konstant gennem tiden. Der er dynamiske kræfter, der virker på partiklerne i universet, som påvirker ekspansionshastigheden., Det var tidligere forventet, at Hubble-parameter vil være faldende, efterhånden som tiden gik, på grund af påvirkning af tyngdekraften interaktion i universet, og således at der er en ekstra observerbare mængde i universet kaldet deceleration parameter, som kosmologer forventes at være direkte relateret til sagen tæthed i universet. Overraskende blev decelerationsparameteren målt af to forskellige grupper for at være mindre end nul (faktisk i overensstemmelse med -1), hvilket indebar, at Hubble-parameteren i dag konvergerer til en konstant værdi, når tiden går., Nogle kosmologer har lunefuldt kaldt effekten forbundet med det “accelererende univers” den “kosmiske jerk”. Nobelprisen i fysik i 2011 blev givet til opdagelsen af dette fænomen.

I oktober 2018, forskere præsenteret en ny tredje vej (to tidligere metoder, som er baseret på redshifts og en anden på den kosmiske afstand stigen, gav resultater, der ikke er enig i), ved hjælp af oplysninger fra gravitationel bølge arrangementer (især dem, der involverer en fusion af neutron-stjerner, som GW170817), bestemmelse af Hubble-Konstant, afgørende ved fastlæggelsen af den sats af ekspansion af universet.,

måling af afstande i udvidende rumredit

på kosmologiske skalaer er det nuværende univers geometrisk fladt, hvilket vil sige, at reglerne for euklidisk geometri forbundet med Euclids femte postulat hold, men i fortiden kunne rumtiden have været stærkt buet. Til dels at rumme sådanne forskellige geometrier, udvidelsen af universet er i sagens natur generel relativistisk; det kan ikke modelleres med særlig relativitet alene, selvom sådanne modeller findes, de er i grundlæggende odds med den observerede interaktion mellem stof og rumtid set i vores univers.,

billederne til højre viser to visninger af rumtids diagrammer, der viser universets store geometri i henhold til ΛCDM kosmologiske model. To af rummets dimensioner udelades, hvilket efterlader en dimension af rummet (den dimension, der vokser, når keglen bliver større) og en af tiden (den dimension, der fortsætter “op” keglens overflade)., Den smalle cirkulære ende af diagrammet svarer til en kosmologisk tid på 700 millioner år efter big bang, mens den brede ende er der en kosmologisk tid på 18 milliarder år, hvor man kan se begyndelsen af den accelererende udvidelse, som en splaying udad rumtiden, en funktion, der til sidst dominerer i denne model. De lilla gitterlinjer markerer kosmologisk tid med intervaller på en milliard år fra big bang. Cyan-gitterlinjerne markerer comoving-afstanden med intervaller på en milliard lysår i den nuværende æra (mindre i fortiden og mere i fremtiden)., Bemærk, at den cirkulære curling af overfladen er en artefakt af indlejringen uden fysisk betydning og gøres rent for at gøre illustrationen synlig; rummet krøller faktisk ikke rundt på sig selv. (En lignende virkning kan ses i den rørformede form af pseudosfæren.)

den brune linje på diagrammet er jordens verdenslinje (eller på tidligere tidspunkter af det stof, der kondenserede til dannelse af jorden). Den gule linje er verdenlinjen af den fjerneste kendte kvasar., Den røde linje er stien til en lysstråle udsendt af kvasaren for omkring 13 milliarder år siden og når jorden i nutiden. Den orange linje viser den nuværende afstand mellem kvasaren og Jorden, omkring 28 milliarder lysår, hvilket er navnlig en større afstand end universets alder ganget med lysets hastighed: ct.

i henhold til ækvivalensprincippet for generel relativitet er reglerne for særlig relativitet lokalt gyldige i små områder af rumtid, der er omtrent flade., Især rejser lys altid lokalt med hastigheden c; i vores diagram betyder det ifølge konventionen om konstruktion af rumtids diagrammer, at lysstråler altid udgør en vinkel på 45.med de lokale gitterlinjer. Det følger dog ikke, at lyset rejser en afstand ct i en tid t, som den røde verdenslinje illustrerer. 13 milliarder år) ikke relateret til den tilbagelagte afstand på nogen enkel måde, da universet udvides, når lysstrålen krydser rum og tid., Faktisk er den tilbagelagte afstand i sagens natur tvetydig på grund af universets skiftende skala. Ikke desto mindre kan vi udpege to afstande, der ser ud til at være fysisk meningsfulde: afstanden mellem Jorden og kvasaren, da lyset blev udsendt, og afstanden mellem dem i den nuværende æra (tager en skive af keglen langs den dimension, som vi har erklæret for at være den rumlige dimension)., Den tidligere afstand er omkring 4 milliarder lysår, meget mindre end ct, fordi universet udvidede sig, da lyset rejste afstanden, måtte lyset “løbe mod løbebåndet” og derfor gik længere end den oprindelige adskillelse mellem Jorden og kvasaren. Sidstnævnte afstand (vist ved den orange linje) er omkring 28 milliarder lysår, meget større end ct., Hvis ekspansion kunne stoppes øjeblikkeligt i dag, ville det tage 28 milliarder år for lys at rejse mellem Jorden og kvasaren, mens hvis udvidelsen var stoppet på det tidligere tidspunkt, ville det kun have taget 4 milliarder år.,

Det lys, der tog meget længere tid end 4 milliarder år om at nå os, men det blev udledt fra kun 4 milliarder lysår væk, og, faktisk, det udsendte lys mod Jorden var faktisk bevæger sig væk fra Jorden, når den blev først udsendt, i den forstand, at den variabel, afstand til Jorden er steget med kosmologisk tid til de første par milliarder år af sin rejsetid, og også angiver, at en udvidelse af rummet mellem Jorden og kvasaren på det tidlige tidspunkt var hurtigere end lysets hastighed., Ingen af denne overraskende opførsel stammer fra en særlig egenskab ved metrisk ekspansion, men simpelthen fra lokale principper for særlig relativitet integreret over en buet overflade.

Topologi for at udvide spaceEdit

Over tid udvides rummet, der udgør universet. Ordene ‘ rum ‘og’ univers’, der undertiden bruges om hverandre, har forskellige betydninger i denne sammenhæng., Her er ‘rummet’ et matematisk begreb, der står for det tredimensionelle manifold, som vores respektive positioner er indlejret i, mens ‘universet’ refererer til alt, hvad der eksisterer, herunder materien og energien i rummet, de ekstra-dimensioner, der kan pakkes op i forskellige strenge, og den tid, gennem hvilken forskellige begivenheder finder sted. Udvidelsen af rummet er kun i reference til denne 3d-manifold; det vil sige, beskrivelsen involverer ingen strukturer såsom ekstra dimensioner eller et ydre univers.,

Den ultimative topologisk rum er efterfølgende – noget, som i princippet skal overholdes – der er ingen begrænsninger, der kan simpelthen være begrundet ud (med andre ord kan der ikke være nogen a priori begrænsninger på, hvordan det rum, hvori vi lever i, er tilsluttet, eller om det wraps rundt om sig selv som en kompakt rum., Selvom visse kosmologiske modeller som Gödel ‘ s univers endda tillade bizar worldlines, der skærer sig selv, i sidste ende er spørgsmålet om, hvorvidt vi er i noget der ligner “Pac-Man universet”, hvor, hvis de rejser langt nok i én retning ville tillade, at man blot ender tilbage på samme sted, som går hele vejen rundt i overfladen af en ballon (eller en planet som Jorden) er en observerende spørgsmål, som er begrænset som målbare eller ikke-målbare af universet ‘ s globale geometri., På nuværende tidspunkt er observationer i overensstemmelse med, at universet er uendeligt i omfang og simpelthen forbundet, selvom vi er begrænsede til at skelne mellem enkle og mere komplicerede forslag fra kosmologiske horisonter., Universet kan være uendeligt i udstrækning, eller det kan være begrænset, men de beviser, der fører til den inflatoriske model af det tidlige univers indebærer også, at den “samlede univers” er meget større end det observerbare univers, og så alle kanter eller eksotiske geometrier eller topologier ville ikke være direkte observerbare, som lyset har ikke nået skalaer, hvor disse aspekter af universet, hvis de findes, er stadig tilladt. I alle henseender er det sikkert at antage, at universet er uendeligt i rumlig udstrækning uden kant eller mærkelig sammenhæng.,

Uanset den overordnede form af universet, og spørgsmålet om, hvad universet udvider sig ind i, er en, som ikke kræver et svar i henhold til de teorier, der beskriver den ekspansion, og den måde, vi definerer plads i vores univers på ingen måde kræver ekstra ydre rum ind, hvor den kan udvide sig, da en udvidelse af en uendelig flade kan ske uden at ændre uendelig udstrækning i flade. Alt, hvad der er sikkert, er, at mangfoldigheden af rum, hvor vi bor, simpelthen har den egenskab, at afstandene mellem objekter bliver større, når tiden går., Dette indebærer kun de enkle observationsmæssige konsekvenser forbundet med den metriske ekspansion udforsket nedenfor. Ingen “udenfor” eller indlejring i hyperspace er nødvendig for en udvidelse til at forekomme. De visualiseringer, der ofte ses af universet, der vokser som en boble ind i intethed, er vildledende i den henseende. Der er ingen grund til at tro, at der er noget “udenfor” af det ekspanderende univers, som universet udvider sig til.,

selvom den samlede rumlige udstrækning er uendelig, og universet således ikke kan få nogen “større”, siger vi stadig, at rummet udvides, fordi lokalt øges den karakteristiske afstand mellem objekter. Efterhånden som et uendeligt rum vokser, forbliver det uendeligt.

universets massefylde under ekspansionredit

På trods af at den er ekstremt tæt, når den er meget ung og under en del af dens tidlige ekspansion – langt tættere end normalt kræves for at danne et sort hul – kollapsede universet ikke igen i et sort hul., Dette skyldes, at almindeligt anvendte beregninger for gravitationskollaps normalt er baseret på objekter af relativt konstant størrelse, såsom stjerner, og gælder ikke for hurtigt ekspanderende rum som Big Bang.

effekter af ekspansion på små skalerediger

udvidelsen af rummet beskrives undertiden som en kraft, der virker til at skubbe objekter fra hinanden. Selvom dette er en nøjagtig beskrivelse af effekten af den kosmologiske konstant, er det ikke et nøjagtigt billede af fænomenet ekspansion generelt.,

ud over at bremse den samlede ekspansion forårsager tyngdekraften lokal sammenklumpning af stof i stjerner og galakser. Når objekter er dannet og bundet af tyngdekraften, “falder de ud” af udvidelsen og udvides ikke efterfølgende under påvirkning af den kosmologiske metriske, idet der ikke er nogen kraft, der tvinger dem til at gøre det.,

Der er ingen forskel mellem universets inertielle ekspansion og den inertielle adskillelse af nærliggende objekter i et vakuum; førstnævnte er simpelthen en storskala ekstrapolering af sidstnævnte.

Når objekter er bundet af tyngdekraften, trækker de sig ikke længere fra hinanden. Således falder Andromeda-galaksen, der er bundet til Mælkevejsgalaksen, faktisk mod os og udvides ikke væk. Inden for den lokale gruppe har gravitationsinteraktionerne ændret objektets inertielle mønstre, således at der ikke finder nogen kosmologisk ekspansion sted., Når man går uden for den Lokale Gruppe, den inerti ekspansion er målbare, men systematisk gravitationelle effekter indebærer, at større og større dele af rum i sidste ende vil falde ud af “Hubble-Flow” og ender som er bundet, ikke-ekspanderende objekter op til vægten af superclusters af galakser. Vi kan forudsige sådanne fremtidige begivenheder ved at kende den præcise måde, hvorpå Hubble-strømmen ændrer sig, såvel som masserne af de objekter, som vi bliver gravitationelt trukket til., I øjeblikket trækkes den lokale gruppe gravitationelt mod enten Shapley Supercluster eller “Great Attractor”, som vi, hvis mørk energi ikke handlede, til sidst ville smelte sammen og ikke længere se ekspandere væk fra os efter en sådan tid.

en konsekvens af metrisk ekspansion skyldes inertiel bevægelse er, at en ensartet lokal “eksplosion” af stof i et vakuum lokalt kan beskrives af FLR.geometri, den samme geometri, som beskriver universets ekspansion som helhed og var også grundlaget for det enklere Milne univers, der ignorerer virkningerne af tyngdekraften., Især forudsiger generel relativitet, at lys vil bevæge sig med hastigheden c med hensyn til den lokale bevægelse af det eksploderende stof, et fænomen, der er analogt med rammetrækning.

situationen ændrer sig noget med indførelsen af mørk energi eller en kosmologisk konstant. En kosmologisk konstant på grund af en vakuum energitæthed har den virkning at tilføje en frastødende kraft mellem objekter, som er proportional (ikke omvendt proportional) til afstanden. I modsætning til inerti det aktivt ” trækker “på objekter, der har klumpet sammen under indflydelse af tyngdekraften, og selv på de enkelte atomer., Dette bevirker imidlertid ikke, at objekterne vokser støt eller går i opløsning; medmindre de er meget svagt bundet, vil de simpelthen slå sig ned i en ligevægtstilstand, som er lidt (uopdageligt) større, end den ellers ville have været. Efterhånden som universet udvider sig, og materien i det tynder, falder gravitationsattraktionen (da den er proportional med densiteten), mens den kosmologiske frastødning øges; således er ΛCDM-universets endelige skæbne et næsten vakuum, der ekspanderer i en stadig stigende hastighed under påvirkning af den kosmologiske konstant., Men kun lokalt, synlige effekt af den accelererende udvidelse, er det bortfaldet (af bortløbne rødforskydning) af fjerne galakser; gravitationelt bundne objekter som Mælkevejen er ikke udvide og Andromeda-galaksen bevæger sig hurtigt nok over for os, at det stadig vil fusionere med Mælkevejen i 3 milliarder år, og det er også sandsynligt, at den fusionerede supergalaxy, der former vil i sidste ende falde i og sammen med det nærliggende Virgo-Hoben. Imidlertid vil galakser, der ligger længere væk fra dette, trække sig tilbage med stadigt stigende hastighed og blive rødforskudt uden for vores synlighedsområde.,

Metrisk ekspansion og hastighed af lightEdit

i slutningen af den tidlige univers ‘ s inflationær periode, vil alt stof og energi i universet, der blev sat på en inerti-bane i overensstemmelse med den ækvivalens-princippet og Einsteins almene relativitetsteori, og det er, når den præcise og regelmæssige form af universets udvidelse havde sin oprindelse (der er stof i universet er adskilt, fordi det var det, der adskiller tidligere på grund af den inflaton feltet).,selvom speciel relativitet forbyder objekter at bevæge sig hurtigere end lys med hensyn til en lokal referenceramme, hvor rumtid kan behandles som flad og uforanderlig, gælder det ikke for situationer, hvor rumtidskrumning eller udvikling i tid bliver vigtig. Disse situationer er beskrevet af generel relativitet, som gør det muligt for adskillelsen mellem to fjerne objekter at stige hurtigere end lysets hastighed, selvom definitionen af “Afstand” her er noget anderledes end den, der anvendes i en inertial ramme., Definitionen af afstand, der bruges her, er summering eller integration af lokale comoving-afstande, alt sammen udført på konstant lokal korrekt tid. For eksempel, galakser, der er mere end Hubble-radius, omkring 4.5 gigaparsecs eller 14.7 milliarder lysår væk fra os, har en recession hastighed, der er hurtigere end lysets hastighed. Synligheden af disse objekter afhænger af universets nøjagtige ekspansionshistorie., Lys, der udsendes i dag fra galakser ud over den fjernere kosmologiske begivenhedshorisont, omkring 5 gigaparsecs eller 16 milliarder lysår, vil aldrig nå os, selvom vi stadig kan se det lys, som disse galakser udsendte i fortiden. På grund af den høje ekspansionshastighed er det også muligt, at en afstand mellem to objekter er større end den værdi, der beregnes ved at multiplicere lysets hastighed med universets alder. Disse detaljer er en hyppig kilde til forvirring blandt amatører og endda professionelle fysikere., På grund af fagets ikke-intuitive karakter og hvad der af nogle er blevet beskrevet som “skødesløse” valg af ordlyd, er visse beskrivelser af den metriske udvidelse af rummet og de misforståelser, som sådanne beskrivelser kan føre til, et løbende diskussionsemne inden for uddannelse og kommunikation af videnskabelige begreber.

Scale factorEdit

på et grundlæggende niveau er universets udvidelse en egenskab ved rumlig måling på de største målbare skalaer i vores univers., Afstanden mellem kosmologisk relevante punkter øges, efterhånden som tiden går, hvilket fører til observerbare effekter beskrevet nedenfor. Dette træk ved universet kan karakteriseres ved en enkelt parameter, der kaldes skalafaktoren, som er en funktion af tid og en enkelt værdi for hele rummet på ethvert tidspunkt (hvis skalafaktoren var en funktion af rummet, ville dette krænke det kosmologiske princip). Ved konvention er skalafaktoren indstillet til at være enhed på nuværende tidspunkt, og fordi universet ekspanderer, er det mindre i fortiden og større i fremtiden., Ekstrapolering tilbage i tiden med visse kosmologiske modeller vil give et øjeblik, hvor skalafaktoren var nul; vores nuværende forståelse af kosmologi sætter denne tid til 13.799 0.0 0.021 milliarder år siden. Hvis universet fortsætter med at udvide for evigt, vil skalafaktoren nærme sig uendelig i fremtiden. I princippet er der ingen grund til, at universets udvidelse skal være monoton, og der er modeller, hvor skalafaktoren på et tidspunkt i fremtiden falder med en ledsagende sammentrækning af rummet snarere end en ekspansion.,

andre konceptuelle modeller af ekspansionedit

udvidelsen af rummet illustreres ofte med konceptuelle modeller, der kun viser størrelsen på rummet på et bestemt tidspunkt, hvilket efterlader tidens dimension implicit.

i “myren på en gummitovsmodel” forestiller man sig en myr (idealiseret som punktlig), der kravler med konstant hastighed på et perfekt elastisk reb, der konstant strækker sig., Hvis vi strækker rebet i overensstemmelse med scalecdm – skalafaktoren og tænker på myrens hastighed som lysets hastighed, er denne analogi numerisk nøjagtig-myrens position over tid vil matche stien til den røde linje på indlejringsdiagrammet ovenfor.

i “gummiplademodellen” erstatter man rebet med en flad todimensionel gummiplade, der udvides ensartet i alle retninger. Tilføjelsen af en anden rumlig dimension rejser muligheden for at vise lokale forstyrrelser af den rumlige geometri ved lokal krumning i arket.,

i “ballonmodellen” erstattes det flade ark med en sfærisk ballon, der er oppustet fra en indledende størrelse på nul (repræsenterer big bang). En ballon har positiv Gaussisk krumning, mens observationer antyder, at det virkelige univers er rumligt fladt, men denne inkonsekvens kan elimineres ved at gøre ballonen meget stor, så den er lokalt flad inden for observationsgrænserne. Denne analogi er potentielt forvirrende, da den fejlagtigt antyder, at big bang fandt sted i midten af ballonen., Faktisk punkter fra overfladen af ballonen har ingen betydning, selv om de blev besat af ballonen på et tidligere tidspunkt.

i “raisin bread model” forestiller man sig et brød rosinbrød, der udvider i ovnen. Brødet (rummet) udvides som helhed, men rosinerne (gravitationsbundne genstande) udvides ikke; de vokser blot længere væk fra hinanden.