Utvidelsen av universet

Måling av utvidelse og endring av pris på expansionEdit

I prinsippet, utvidelsen av universet kunne måles ved å ta en vanlig linjal og måle avstanden mellom to cosmologically fjernt poeng, venter en viss tid, og deretter måle avstanden igjen, men i praksis, standard herskere er ikke lett å finne på kosmologiske skalaer og tidsrammer over som en målbar utvidelse ville være synlig er for stor til å være framgår også av flere generasjoner av mennesker. Utvidelse av plass er målt indirekte., Relativitetsteorien spår fenomener forbundet med utvidelsen, spesielt de «rødforskyvning» -versus-avstand forholdet kjent som Hubble ‘ s Lov; funksjonelle former for kosmologiske avstand målinger som er forskjellige fra hva som ville være forventet hvis plassen ikke var i utvikling, og en observerbar endring i saken og energitettheten i universet sett på ulike lookback ganger.

Den første målingen av utvidelsen av plass kom med Hubble ‘s realisering av hastigheten vs. «rødforskyvning» forhold., Mest nylig, ved å sammenligne den tilsynelatende lysstyrken på fjern standard stearinlys til «rødforskyvning» av heren galakser, utvidelse pris av universet har blitt målt til å være H0 = 73.24 ± 1.74 (km/s/Mpc. Dette betyr at for hver million parsecs av avstand fra observatøren, lys mottatt fra at avstanden er cosmologically redshifted med om lag 73 kilometer per sekund (160,000 mph). På den annen side, ved å anta en kosmologisk modell, f.eks. Lambda-CDM-modellen, kan man utlede Hubble konstant fra størrelsen av de største svingningene sett i Kosmisk Mikrobølgeovn Bakgrunn., En høyere Hubble konstant ville innebære en mindre karakteristisk størrelse på CMB svingninger, og vice versa. Den Planck samarbeid måle utvidelse rangere denne måten og avgjøre H0 = 67.4 ± 0.5 (km/s/Mpc. Det er en uenighet mellom de to målingene, avstand stigen være modell-uavhengig og CMB måling avhengig utstyrt modell, som tips til ny fysikk utover vår standard kosmologiske modeller.

Hubble-parameteren er ikke antatt å være konstant over tid. Det er dynamiske kreftene som virker på partikler i universet som påvirker utvidelse pris., Det var tidligere forventet at Hubble-parameteren vil være synkende etter hvert som tiden gikk, på grunn av påvirkning av gravitasjonelle vekselvirkninger i universet, og derfor er det en ekstra observerbare kvantum i universet kalt fartsreduksjon parameter som cosmologists forventet å være direkte relatert til saken tetthet av universet. Overraskende, fartsreduksjon parameter ble målt med to forskjellige grupper til å være mindre enn null (faktisk, i samsvar med -1) som innebar at i dag Hubble-parameteren er konvergerende til en konstant verdi ettersom tiden går., Noen cosmologists har whimsically kalt effekten assosiert med «akselererende universet» «cosmic jerk». 2011 nobelprisen i Fysikk ble gitt for oppdagelsen av dette fenomenet.

I oktober 2018, forskere presentert et nytt tredje vei (to tidligere metoder, en basert på redshifts og en annen på den kosmiske avstand stigen, ga resultater som ikke er enig), ved hjelp av informasjon fra gravitasjonsfelt bølge hendelser (spesielt de som involverer sammenslåingen av nøytron stjerner, som GW170817), for å bestemme Hubble Konstant, essensielle i å etablere frekvensen av utvidelsen av universet.,

Måling av avstander i å utvide spaceEdit

På kosmologiske skalaer dagens universet er geometrisk flate, som er å si at reglene i Euclidean geometry forbundet med Euklids femte postulat hold, men i de siste romtid kunne ha vært høyt buet. I en del for å imøtekomme slike ulike geometrier, utvidelsen av universet er iboende generelle relativistiske; det kan ikke være modellert med spesielle relativitetsteorien alene, selv om slike modeller finnes, de er i grunnleggende konflikt med den observerte samspillet mellom materie og romtid sett i vårt univers.,

bildene til høyre viser to visninger av romtid diagrammer som viser stor skala, geometri av universet i henhold til ΛCDM kosmologisk modell. To av dimensjonene på plass er utelatt, forlater en dimensjon av rommet (dimensjon som vokser etter hvert som membranen blir større), og en tid (dimensjon som går «opp» membranens overflate)., Den smale sirkulær slutten av diagrammet tilsvarer en kosmologisk tid på 700 millioner år etter big bang, mens den brede enden er en kosmologisk tid av 18 milliarder år, hvor man kan se begynnelsen av den akselererende ekspansjon som en splaying ytre av romtid, en funksjon som etter hvert dominerer i denne modellen. Den lilla rutenett linjer merke av kosmologiske tid i intervaller på ett milliarder år etter big bang. Cyan rutenett linjer merke av comoving avstand i intervaller på én milliard lysår i den nåværende tidsalder (mindre i det siste, og mer i fremtiden)., Vær oppmerksom på at rundskrivet curling på overflaten, er en juvel av innebygging med ingen fysisk betydning, og er gjort kun for å gjøre figuren vises, space faktisk ikke krøller seg rundt på selv. (En lignende effekt kan sees i diameterstørrelser av pseudosphere.)

Den brune linjen på figuren er worldline av Jorden (eller i tidligere tider, i saken som kondenseres til å danne Jorden). Den gule linjen er worldline av de mest fjerntliggende kjent quasar., Den røde linjen er banen av en lysstråle som slippes ut av quasar om 13 milliarder år siden, og nådde Jorden i dag. Den oransje linjen viser dagens avstand mellom quasar og Jorden, ca 28 milliarder lysår, som er betydelig større avstand enn alder av universet multiplisert med lysets hastighet: ct.

i Henhold til ekvivalens prinsippet om generell relativitetsteori, reglene for spesielle relativitetsteorien er lokalt gyldig i små regioner av romtid som er tilnærmet flatt., I spesielt lys alltid reiser lokalt i hastighet c; i vårt diagram, betyr dette, i henhold til konvensjonen av bygging av romtid diagrammer, at lyset stråler alltid gjøre en vinkel på 45° med det lokale nettet linjer. Det følger ikke, imidlertid, at lyset reiser en avstand ct i en tid t, som den røde worldline illustrerer. Mens den beveger seg alltid lokalt på c, sin tid i transitt (om lag 13 milliarder år) er ikke relatert til distanse i noen enkel måte siden universet utvider seg som lysstrålen går gjennom rom og tid., Faktisk distanse er i seg selv tvetydig på grunn av skiftende omfanget av universet. Likevel, kan vi enkelt ut to avstander som synes å være fysisk meningsfylt: avstanden mellom Jorden og quasar når lyset ble sluppet, og avstanden mellom dem i den nåværende tidsalder (tar en bit av membranen langs dimensjon som vi har erklært å være den romlige dimensjon)., Den tidligere avstanden er ca 4 milliarder lysår, mye mindre enn ct fordi universet utvidet seg som lys reiste avstand, lys måtte «kjøre mot tredemølle» og derfor gikk lenger enn den opprinnelige avstanden mellom Jorden og quasar. Sistnevnte avstand (vist med oransje linje) er ca 28 milliarder lysår, som er mye større enn ct., Hvis utvidelsen kan være umiddelbart stoppet i dag, ville det ta 28 milliarder år for lett å reise mellom Jorden og quasar mens hvis utvidelsen hadde sluttet i en tidligere tid, og det ville tatt bare 4 milliarder år.,

lyset tok mye lengre enn 4 milliarder år på å nå oss, selv om det var ut fra bare 4 milliarder lysår unna, og, faktisk, lyset mot Jorden var faktisk beveger seg bort fra Jorden da den først ble sluppet ut, i den forstand at den metriske avstand til Jorden økt med kosmologiske tid for de første par milliarder år på reise sin tid, og også indikerer at utvidelsen av avstanden mellom Jorden og quasar i tidlig tid var raskere enn lysets hastighet., Ingen av denne overraskende atferd springer ut fra en spesiell egenskap av metriske ekspansjon, men bare fra lokale prinsipper for spesielle relativitetsteorien integrert over en buet overflate.

Topologi for å utvide spaceEdit

Over tid, plass som utgjør universet ekspanderer. Ordene ‘plass’ og ‘universet’, noen ganger brukt om hverandre, har forskjellige betydninger i denne sammenheng., Her «space» er et matematisk begrep som står for de tre-dimensjonale manifold inn som våre respektive posisjoner er innebygd mens ‘universet’ refererer til alt som eksisterer inkludert materie og energi i rommet, ekstra dimensjoner som kan være pakket inn i ulike strenger, og den tid og gjennom ulike arrangementer finner sted. Utvidelse av plassen er i referanse til dette 3-D manifold bare, det er, beskrivelsen innebærer ingen strukturer som ekstra dimensjoner eller en ytre univers.,

Den ultimate topologi plass et posteriori – noe som i prinsippet må det tas hensyn til – som det ikke er noen begrensninger som kan bare være begrunnet ut (med andre ord, det kan ikke være noen a priori restriksjoner) på hvordan rommet der vi bor er koblet til, eller om den legger seg rundt på seg selv som en kompakt plass., Men visse kosmologiske modeller som Gödel er universet selv tillate bisarre worldlines som krysser hverandre med seg selv, til slutt stille spørsmålet om vi er i noe sånt som en «Pac-Man-universet» der hvis du reiser langt nok i en retning som ville tillate en å bare ende opp tilbake på samme sted som går hele veien rundt på overflaten av en ballong eller en planet som Jorden) er en observerende spørsmål som er begrenset som målbar eller ikke-målbare av universets global geometri., I dag, observasjoner er i samsvar med universet blir uendelig i utstrekning og bare koblet til, selv om vi har begrenset med å skille mellom enkle og mer kompliserte forslag fra kosmologiske horisonter., Universet kan være uendelig i utstrekning eller det kan være begrenset, men bevisene som fører til inflasjon modell av det tidlige universet innebærer også at den «totale universet» er mye større enn det observerbare universet, og så alle kanter eller eksotiske geometrier eller topologier ikke ville være direkte observerbare som lys ikke har nådd vekten på som slike aspekter av universet, hvis de finnes, er likevel tillatt. For alle praktiske formål, er det trygt å anta at universet er uendelig i romlig utstrekning, uten kant eller merkelige samhørighet.,

Uavhengig av den generelle formen på universet, spørsmålet om hva universet ekspanderer inn i er en som ikke krever et svar i henhold til teorier som beskriver ekspansjon, slik vi definerer plass i universet vårt, på ingen måte krever ekstra utvendig plass der det kan utvide siden en utvidelse av en uendelig utstrekning kan skje uten å endre uendelig grad av strekningen. Alt som er sikkert, er at mangfoldet av plass som vi lever rett og slett har den egenskapen at avstandene mellom objekter blir større etter hvert som tiden går., Dette impliserer bare den enkle observasjon konsekvensene forbundet med beregningen utvidelse utforsket nedenfor. Ingen «utenfor» eller bygge inn i hyperspace er nødvendig for en utvidelse til å skje. Den visualiseringer ofte sett i universet vokser som en boble i intetheten er misvisende i denne sammenhengen. Det er ingen grunn til å tro at det er noe «utenfor» av ekspanderende universet inn som universet utvider seg.,

Selv om samlet romlig utstrekning er uendelig og dermed universet ikke kan få noen «større», kan vi likevel si at tomrommet utvider fordi, lokalt, karakteristiske avstand mellom objekter er økende. Som en uendelig plass vokser, er det fortsatt uendelig.

Tetthet av universet under expansionEdit

til Tross for å være ekstremt tett når de er veldig unge, og under en del av sin tidlige ekspansjon langt tettere enn det som er vanligvis nødvendig for å danne et sort hull – universet ikke re-kollaps inn i et sort hull., Dette er fordi mye brukt beregninger for gravitasjonelle kollaps er vanligvis basert på objekter av relativt konstant størrelse, for eksempel stjerner, og gjelder ikke for raskt voksende område, for eksempel på the Big Bang.

Virkninger av utvidelsen på små scalesEdit

utvidelse av plassen er noen ganger beskrevet som en kraft som virker å skyve gjenstander fra hverandre. Selv om dette er en nøyaktig beskrivelse av effekten av den kosmologiske konstant, det er ikke et nøyaktig bilde av fenomenet utvidelse generelt.,

I tillegg til å bremse den generelle ekspansjon, tyngdekraften fører til lokale klumping av saken i stjerner og galakser. Når gjenstander er dannet og bundet av tyngdekraften, de «faller ut» av utvidelsen og ikke senere utvide seg under innflytelse av den kosmologiske metrisk, det er ingen overbevisende kraft dem til å gjøre det.,

Det er ingen forskjell mellom treghet i utvidelsen av universet og den treghet separasjon av objekter i nærheten, i et vakuum; det tidligere er rett og slett en stor-skala ekstrapolering av sistnevnte.

Når gjenstander er bundet av tyngdekraften, har de ikke lenger falle fra hverandre. Dermed, Andromeda-galaksen, som er bundet til melkeveien, er faktisk å falle mot oss og er ikke å utvide unna. I den Lokale Gruppe, gravitasjons vekselsvirkningene har endret treghet mønstre av gjenstander, slik at det er ingen kosmologisk utvidelse finner sted., Når man går utover den Lokale Gruppe, treghet utvidelsen er målbare, selv om systematisk gravitasjonsfelt effekter medfører at større og større deler av plass vil til slutt falle ut av «Hubble Flyt» og ender opp som bundet, ikke-utvide objekter opp til vekten av superclusters av galakser. Vi kan forutse slike hendelser i framtiden ved å vite nøyaktig måte Hubble Flow er i endring, så vel som massene av objekter som vi blir med tyngdekraft trukket., I dag, den Lokale Gruppen er å være med tyngdekraft trukket mot enten Shapley Supercluster eller «the Great Attractor» med som, hvis den mørke energien var ikke handler, ville vi til slutt sammen og ikke lenger se utvide bort fra oss etter en tid.

En konsekvens av metriske utvidelsen blir på grunn av treghet i bevegelse er at en uniform lokale «eksplosjon» av saken i et vakuum kan være lokalt beskrevet av FLRW geometri, den samme geometri som beskriver utvidelsen av universet som helhet, og var også grunnlaget for enklere Milne universet som ignorerer effekten av tyngdekraften., I særdeleshet, generell relativitetsteori spår at det vil lyset bevege seg i hastighet c med hensyn til den lokale bevegelse av eksploderende saken, et fenomen som er analogt til å ramme å dra.

Den situasjonen endrer litt med innføring av mørk energi eller en kosmologisk konstant. En kosmologisk konstant på grunn av et vakuum energi tetthet har effekten av å legge til en frastøtende kraften mellom objektene som er proporsjonale (ikke omvendt proporsjonal) til avstand. I motsetning til treghet det aktivt «trekker» på objekter som har klumpet seg sammen under påvirkning av tyngdekraften, og selv på individuelle atomer., Dette gjelder imidlertid ikke føre til at objekter å vokse jevnt eller å gå i oppløsning, med mindre de er veldig svakt bundet, de vil rett og slett bosette seg i en likevekt tilstand som er litt (undetectably) større enn den ellers ville ha vært. Som universet utvider seg, og saken i det tynner, gravitasjons attraksjon reduseres (siden det er proporsjonal med tettheten), mens den kosmologiske frastøting øker, og dermed den endelige skjebnen til ΛCDM universet er en nær vakuum utvide på en stadig økende rente under innflytelse av den kosmologiske konstant., Men bare lokalt synlig effekt av den akselererende ekspansjon er forsvinningen (av runaway «rødforskyvning») av fjerne galakser; med sin egen tyngdekraft bundet objekter som melkeveien ikke utvide og Andromeda galaksen beveger seg raskt nok mot til oss at det fortsatt vil fusjonere med melkeveien i 3 milliarder år, og det er også sannsynlig at det fusjonerte supergalaxy som former vil til slutt falle og slå seg sammen med de nærliggende Jomfruen Klyngen. Imidlertid, galakser liggende lenger og lenger bort fra dette vil vike unna med stadig økende hastighet og være redshifted ut av vårt utvalg av synlighet.,

Metrisk ekspansjon og hastighet av lightEdit

På slutten av det tidlige universet er inflasjonsdrivende periode, vil all materie og energi i universet ble satt på en treghet i banen i samsvar med ekvivalens prinsippet og Einsteins generelle relativitetsteori, og dette er når nøyaktig og regelmessig form av universets ekspansjon hadde sin opprinnelse (som er, materie i universet er å skille fordi det var løsnet i det siste på grunn av den inflaton feltet).,

Mens spesielle relativitetsteorien forbyr objekter som beveger seg raskere enn lyset med hensyn til en lokal referanse ramme hvor romtid kan bli behandlet så flatt og uforanderlige, det gjelder ikke i situasjoner hvor romtid kurvatur eller evolusjon i gang blitt viktig. Disse situasjonene er beskrevet av den generelle relativitetsteorien, som gjør det mulig å skille mellom to objekter som er langt borte til å øke raskere enn lysets hastighet, selv om definisjonen av «avstand» her er noe forskjellig fra den som brukes i en treghet i rammen., Definisjonen av avstand som brukes her er summering eller integrering av lokale comoving avstander, alt gjort på konstant lokale riktig tid. For eksempel, galakser som er mer enn Hubble radius på om lag 4,5 gigaparsecs eller 14,7 milliarder kroner lys-årene, bort fra oss har en resesjon hastighet som er raskere enn lysets hastighet. Synligheten av disse objektene avhengig av den eksakte utvidelse historien til universet., Lyset som avgis i dag fra galakser utover de mer fjerne kosmologiske event horizon, ca 5 gigaparsecs eller 16 milliarder lysår, vil aldri nå oss, selv om vi fremdeles kan se det lys som disse galaksene som slippes ut i det siste. På grunn av den høye frekvensen av utvidelsen, er det også mulig for en avstand mellom to objekter å være større enn verdien beregnet ved å multiplisere lysets hastighet i en alder av universet. Disse detaljene er en hyppig kilde til forvirring blant amatører og selv profesjonelle fysikere., På grunn av den ikke-intuitive og faget, og hva som har blitt beskrevet av noen som «uforsiktig» valg av ordlyd, bestemte beskrivelser av metriske utvidelse av plass og misforståelsene som slike beskrivelser kan lede er en pågående gjenstand for diskusjon innen utdanning og formidling av vitenskapelige begreper.

Skala factorEdit

På et grunnleggende nivå, utvidelsen av universet er en eiendom av romlig måling på de største målbare skalaer av vårt univers., Avstandene mellom cosmologically relevante poeng øker etter hvert som tiden går som fører til observerbare effekter som er beskrevet nedenfor. Denne funksjonen av universet kan være preget av en enkelt parameter som kalles skala faktor som er en funksjon av tiden, og en enkelt verdi for alle på plass på noen øyeblikk (hvis vekten faktor var en funksjon av plass, dette vil bryte med den kosmologiske prinsipp). Ved konvensjonen, skala faktor er satt til å være enighet på det nåværende tidspunkt, og fordi universet utvider, er mindre i det siste, og større i fremtiden., Ekstrapolere tilbake i tid med visse kosmologiske modeller vil gi et øyeblikk når skalaen faktor var null; vår nåværende forståelse av kosmologien sett dette gang på 13.799 ± 0.021 milliarder år siden. Hvis universet fortsetter å vokse for alltid, omfanget faktor vil nærme seg uendelig i fremtiden. I prinsippet er det ingen grunn til at utvidelsen av universet må være monotonic og det finnes modeller der en gang i fremtiden skalaen faktor reduseres med en ledsager sammentrekning av plass snarere enn en utvidelse.,

Andre konseptuelle modeller av expansionEdit

utvidelse av plass er ofte illustrert med konseptuelle modeller som bare viser størrelsen på plass på en bestemt tid, forlater dimensjon av tid implisitt.

I «ant på en gummi tau-modellen» man tenker seg en maur (idealiserte som pointlike) gjennomgang på en konstant hastighet på en perfekt elastisk tau som er i konstant strekk., Hvis vi strekke tauet i samsvar med ΛCDM skala faktor og tenke på ant ‘s hastighet som lysets hastighet, så denne analogien er numerisk nøyaktig – ant’ s posisjon over tid vil matche den vei til den røde linjen på innebygging diagrammet over.

I «gummi-ark-modellen» en erstatter tau med en flatskjerm to-dimensjonale gummi ark som utvider seg jevnt i alle retninger. Tillegg av en annen romlig dimensjon som gjør det mulig å vise lokale perturbasjon av den romlige geometrien av lokale kurvatur i arket.,

I «ballong-modellen» flat sheet er erstattet av en rund ballong som blir blåst opp fra en opprinnelig størrelse null (som representerer big bang). En ballong har positiv Gaussian kurvatur, mens observasjoner tyder på at den virkelige universet er romlig flat, men denne inkonsekventheten kan elimineres ved å gjøre ballongen svært store slik at det er lokalt flatskjerm innenfor grensene for observasjon. Denne analogien er potensielt forvirrende siden det feilaktig antyder at big bang fant sted på midten av ballongen., Faktisk poeng av overflaten av ballongen har ingen betydning, selv om de var okkupert av ballongen på et tidligere tidspunkt.

I «rosin brød modell» man tenker seg et brød av rosin brød utvide i ovnen. Brød (mellomrom) utvides som en helhet, men rosiner (med tyngdekraft bundet objekter) ikke utvide; de bare vokse lenger bort fra hverandre.