Expansion of the universe

meting van de expansiesnelheid en verandering van expansiedit

in principe kan de uitdijing van het universum worden gemeten door een standaardliniaal te nemen en de afstand tussen twee kosmologisch verre punten te meten, een bepaalde tijd te wachten en vervolgens de afstand opnieuw te meten, maar in de praktijk zijn standaardlinialen niet gemakkelijk te vinden op kosmologische schalen en zijn de tijdschalen waarover een meetbare expansie zichtbaar zou zijn te groot om zelfs door meerdere generaties mensen waarneembaar te zijn. De uitbreiding van de ruimte wordt indirect gemeten., De relativiteitstheorie voorspelt fenomenen geassocieerd met de expansie, met name de roodverschuiving-versus-afstand relatie bekend als Hubble ‘ s wet; functionele vormen voor kosmologische afstandsmetingen die verschillen van wat verwacht zou worden als de ruimte niet zou uitdijen; en een waarneembare verandering in de materie en energie dichtheid van het universum gezien op verschillende terugkijktijden.

De eerste meting van de expansie van de ruimte kwam met Hubble ‘ s realisatie van de snelheid versus roodverschuiving relatie., Meest recent, door de schijnbare helderheid van verre standaardkaarsen te vergelijken met de roodverschuiving van hun gaststelsels, is de uitdijingssnelheid van het heelal gemeten op H0 = 73,24 ± 1,74 (km/s)/Mpc. Dit betekent dat voor elke miljoen parsecs van afstand van de waarnemer, het licht dat van die afstand wordt ontvangen kosmologisch roodverschuift met ongeveer 73 kilometer per seconde (160.000 mph). Aan de andere kant, door een kosmologisch model aan te nemen, bijvoorbeeld Lambda-CDM model, kan men de hubbleconstante afleiden uit de grootte van de grootste fluctuaties gezien in de kosmische Microgolfachtergrond., Een hogere hubbleconstante zou een kleinere karakteristieke grootte van CMB fluctuaties impliceren, en vice versa. De Planck-samenwerking meet op deze manier de uitbreidingssnelheid en bepaalt H0 = 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc. Er is een meningsverschil tussen de twee metingen, waarbij de afstandsladder modelonafhankelijk is en de CMB-meting afhankelijk van het gemonteerde model, wat wijst op nieuwe fysica die verder gaat dan onze standaard kosmologische modellen.

De Hubble parameter wordt niet verondersteld constant te zijn in de tijd. Er zijn dynamische krachten die inwerken op de deeltjes in het universum die de uitdijingssnelheid beïnvloeden., Eerder werd verwacht dat de Hubble-parameter zou afnemen naarmate de tijd vorderde als gevolg van de invloed van gravitatieinteracties in het universum, en dus is er een extra waarneembare hoeveelheid in het universum, de vertragingsparameter genoemd, waarvan kosmologen verwachtten dat deze direct gerelateerd zou zijn aan de dichtheid van de materie in het universum. Verrassend genoeg werd de vertragingsparameter gemeten door twee verschillende groepen om minder dan nul te zijn (eigenlijk consistent met -1) wat impliceerde dat de Hubble-parameter vandaag convergeert naar een constante waarde naarmate de tijd vordert., Sommige kosmologen hebben grillig genoemd het effect geassocieerd met het” versnellende universum “de”kosmische jerk”. De Nobelprijs voor de natuurkunde 2011 werd gegeven voor de ontdekking van dit fenomeen.in oktober 2018 presenteerden wetenschappers een nieuwe derde manier (twee eerdere methoden, een gebaseerd op roodverschuivingen en een andere op de kosmische afstandsladder, gaven resultaten die niet overeenkomen), met behulp van informatie uit gravitatiegolfgebeurtenissen (vooral die waarbij neutronensterren samensmelten, zoals GW170817), om de Hubbleconstante te bepalen, essentieel voor het vaststellen van de snelheid van expansie van het heelal.,

afstanden meten in expanding spaceEdit

op kosmologische schalen is het huidige universum Meetkundig vlak, dat wil zeggen dat de regels van de Euclidische meetkunde geassocieerd met Euclides ‘ vijfde postulaat hold, hoewel in het verleden de ruimtetijd sterk gekromd had kunnen zijn. Ten dele om dergelijke verschillende geometrieën te kunnen accommoderen, is de expansie van het universum inherent algemeen relativistisch; het kan niet worden gemodelleerd met speciale relativiteit alleen, hoewel dergelijke modellen bestaan, zijn ze fundamenteel in strijd met de waargenomen interactie tussen materie en ruimtetijd die in ons universum wordt gezien.,

de afbeeldingen rechts tonen twee weergaven van ruimtetijddiagrammen die de meetkunde op grote schaal van het universum tonen volgens het ΛCDM kosmologisch model. Twee van de dimensies van de ruimte worden weggelaten, waardoor er één dimensie van de ruimte overblijft (de dimensie die groeit als de kegel groter wordt) en één van de tijd (de dimensie die het oppervlak van de kegel “omhoog” gaat)., Het smalle cirkelvormige uiteinde van het diagram komt overeen met een kosmologische tijd van 700 miljoen jaar na de oerknal, terwijl het brede uiteinde een kosmologische tijd van 18 miljard jaar is, waar men het begin van de versnellende expansie kan zien als een uitglijden naar buiten van de ruimtetijd, een kenmerk dat uiteindelijk domineert in dit model. De paarse rasterlijnen markeren de kosmologische tijd met intervallen van een miljard jaar na de oerknal. De cyaanrasterlijnen markeren de afstand die in het huidige tijdperk met intervallen van één miljard lichtjaar wordt afgelegd (minder in het verleden en meer in de toekomst)., Merk op dat de cirkelvormige krullen van het oppervlak een Artefact van de inbedding is zonder fysieke betekenis en puur wordt gedaan om de illustratie zichtbaar te maken; ruimte krult eigenlijk niet rond op zichzelf. (Een soortgelijk effect kan worden gezien in de buisvormige vorm van de pseudosfeer.)

de bruine lijn op het diagram is de wereldlijn van de aarde (of, vroeger, van de materie die condenseerde om de aarde te vormen). De gele lijn is de wereldlijn van de verst bekende quasar., De rode lijn is het pad van een lichtstraal uitgezonden door de quasar ongeveer 13 miljard jaar geleden en het bereiken van de aarde in de huidige dag. De oranje lijn toont de huidige afstand tussen de quasar en de aarde, ongeveer 28 miljard lichtjaar, wat met name een grotere afstand is dan de leeftijd van het heelal vermenigvuldigd met de lichtsnelheid: ct.

volgens het equivalentieprincipe van de algemene relativiteitstheorie zijn de regels van de speciale relativiteitstheorie lokaal geldig in kleine gebieden van de ruimtetijd die ongeveer vlak zijn., In het bijzonder reist licht altijd lokaal met de snelheid c; in ons diagram betekent dit, volgens de conventie van het construeren van ruimtetijddiagrammen, dat lichtbundels altijd een hoek van 45° maken met de lokale rasterlijnen. Het volgt echter niet dat licht een afstand ct aflegt in een tijd t, zoals de rode worldline illustreert. Hoewel het altijd lokaal beweegt op c, is zijn transittijd (ongeveer 13 miljard jaar) op geen enkele eenvoudige manier gerelateerd aan de afgelegde afstand, aangezien het heelal uitdijt als de lichtstraal ruimte en tijd doorkruist., In feite is de afgelegde afstand inherent dubbelzinnig vanwege de veranderende schaal van het universum. Niettemin kunnen we twee afstanden onderscheiden die fysiek betekenisvol lijken: de afstand tussen de aarde en de quasar toen het licht werd uitgezonden, en de afstand tussen hen in het huidige tijdperk (waarbij we een stukje van de kegel nemen langs de dimensie die we hebben verklaard de ruimtelijke dimensie te zijn)., De voormalige afstand is ongeveer 4 miljard lichtjaar, veel kleiner dan ct omdat het universum uitgebreid als het licht reisde de afstand, het licht moest “lopen tegen de loopband” en ging daarom verder dan de aanvankelijke scheiding tussen de aarde en de quasar. De laatste afstand (aangegeven door de oranje lijn) is ongeveer 28 miljard lichtjaar, veel groter dan ct., Als de expansie vandaag onmiddellijk kon worden gestopt, zou het 28 miljard jaar duren voordat het licht tussen de aarde en de quasar zou reizen, terwijl als de expansie eerder was gestopt, het slechts 4 miljard jaar zou hebben geduurd.,het licht duurde veel langer dan 4 miljard jaar om ons te bereiken, hoewel het werd uitgezonden vanaf slechts 4 miljard lichtjaar afstand, en, in feite, het naar de aarde uitgestraald licht was eigenlijk weg van de aarde toen het voor het eerst werd uitgezonden, in de zin dat de metrische afstand tot de aarde nam met de kosmologische tijd voor de eerste paar miljard jaar van zijn reistijd, en ook aangeeft dat de uitbreiding van de ruimte tussen de aarde en de quasar in het begin was sneller dan de snelheid van het licht., Niets van dit verrassende gedrag komt voort uit een speciale eigenschap van metrische expansie, maar gewoon uit lokale principes van speciale relativiteit geïntegreerd over een gebogen oppervlak.

topologie van de uitdijende ruimtedit

in de loop van de tijd neemt de ruimte waaruit het heelal bestaat uit. De woorden ‘ruimte’ en ‘universum’, soms door elkaar gebruikt, hebben verschillende betekenissen in deze context., Hier is’ ruimte ‘een wiskundig concept dat staat voor de driedimensionale variëteit waarin onze respectievelijke posities zijn ingebed, terwijl’ universum ‘ verwijst naar alles wat bestaat inclusief de materie en energie in de ruimte, de extra-dimensies die in verschillende snaren kunnen worden verpakt, en de tijd waarin verschillende gebeurtenissen plaatsvinden. De uitdijing van de ruimte verwijst alleen naar deze 3-D variëteit; dat wil zeggen dat de beschrijving geen structuren zoals extra dimensies of een exterieur universum omvat.,

de ultieme topologie van de ruimte is a posteriori – iets dat in principe in acht moet worden genomen – omdat er geen beperkingen zijn die eenvoudig kunnen worden gemotiveerd (met andere woorden, er kunnen GEEN a priori beperkingen zijn) over hoe de ruimte waarin we leven is verbonden of dat het zich omsluit als een compacte ruimte., Hoewel bepaalde kosmologische modellen zoals Gödel ‘ s universum zelfs bizarre wereldlijnen toestaan die met zichzelf kruisen, is uiteindelijk de vraag of we ons in iets als een “Pac-mens universum” bevinden, waar als we ver genoeg in één richting reizen, men gewoon weer op dezelfde plaats kan eindigen zoals helemaal rond het oppervlak van een ballon (of een planeet zoals de aarde) gaan, een observationele vraag die als meetbaar of niet-meetbaar wordt beperkt door de mondiale meetkunde van het universum., Op dit moment zijn observaties consistent met het feit dat het universum oneindig is in omvang en eenvoudig verbonden, hoewel we beperkt zijn in het onderscheid tussen eenvoudige en meer gecompliceerde voorstellen door kosmologische horizonten., Het universum zou oneindig in omvang kunnen zijn of het zou eindig kunnen zijn; maar het bewijs dat leidt tot het inflatoire model van het vroege universum impliceert ook dat het ‘totale universum’ veel groter is dan het waarneembare universum, en dus zouden eventuele randen of exotische geometrieën of topologieën niet direct waarneembaar zijn omdat licht nog geen schalen heeft bereikt waarop dergelijke aspecten van het universum, als ze bestaan, nog toegestaan zijn. In alle opzichten is het veilig om aan te nemen dat het universum oneindig is in ruimtelijke omvang, zonder rand of vreemde verbondenheid.,

ongeacht de algemene vorm van het universum, is de vraag naar wat het universum uitdijt er een die geen antwoord vereist volgens de theorieën die de expansie beschrijven; de manier waarop we de ruimte in ons universum definiëren vereist op geen enkele manier extra externe ruimte waarin het kan uitdijen, aangezien een expansie van een oneindige uitgestrektheid kan plaatsvinden zonder de oneindige omvang van de uitgestrektheid te veranderen. Het enige dat zeker is, is dat de variëteit van de ruimte waarin we leven simpelweg de eigenschap heeft dat de afstanden tussen objecten groter worden naarmate de tijd vordert., Dit impliceert alleen de eenvoudige observationele gevolgen geassocieerd met de metrische expansie hieronder onderzocht. Er is geen” buiten ” of inbedding in hyperruimte vereist om een uitbreiding te laten plaatsvinden. De visualisaties die vaak worden gezien van het universum dat groeit als een bubbel in het niets zijn in dat opzicht misleidend. Er is geen reden om te geloven dat er iets “buiten” van het uitdijende universum is waarin het universum zich uitbreidt.,

zelfs als de totale ruimtelijke omvang oneindig is en het universum dus geen “groter” kan worden, zeggen we nog steeds dat de ruimte uitdijt omdat lokaal de karakteristieke afstand tussen objecten toeneemt. Als een oneindige ruimte groeit, blijft het oneindig.

dichtheid van het heelal tijdens expansiedit

hoewel het zeer dicht was toen het jong was en tijdens een deel van zijn vroege expansie – veel dichter dan gewoonlijk nodig is om een zwart gat te vormen – stortte het heelal niet opnieuw in tot een zwart gat., Dit komt omdat veelgebruikte berekeningen voor gravitationele instorting meestal gebaseerd zijn op objecten van relatief constante grootte, zoals sterren, en niet van toepassing zijn op snel uitdijende ruimte zoals de oerknal.

effecten van expansie op kleine schaaledit

de expansie van de ruimte wordt soms beschreven als een kracht die objecten uit elkaar duwt. Hoewel dit een nauwkeurige beschrijving is van het effect van de kosmologische constante, is het geen accuraat beeld van het fenomeen van expansie in het algemeen.,

naast het vertragen van de totale expansie, veroorzaakt zwaartekracht lokale klontering van materie in sterren en sterrenstelsels. Wanneer objecten eenmaal gevormd en gebonden zijn door de zwaartekracht, “vallen ze weg” van de expansie en breiden ze vervolgens niet uit onder de invloed van de kosmologische metriek, omdat er geen kracht is die hen daartoe dwingt.,

er is geen verschil tussen de traagheidsuitbreiding van het heelal en de traagheidsscheiding van nabije objecten in een vacuüm; de eerste is gewoon een grootschalige extrapolatie van de laatste.

zodra objecten gebonden zijn door zwaartekracht, wijken ze niet meer van elkaar af. Dus, de Andromeda galaxy, die gebonden is aan de Melkweg, valt eigenlijk naar ons toe en breidt zich niet weg. Binnen de lokale groep hebben de gravitationele interacties de traagheidspatronen van objecten zodanig veranderd dat er geen kosmologische expansie plaatsvindt., Als men eenmaal voorbij de lokale groep gaat, is de traagheidsuitbreiding meetbaar, hoewel systematische gravitatieeffecten impliceren dat grotere en grotere delen van de ruimte uiteindelijk uit de “Hubble Flow” zullen vallen en zullen eindigen als gebonden, niet-uitdijende objecten tot aan de schalen van superclusters van sterrenstelsels. We kunnen dergelijke toekomstige gebeurtenissen voorspellen door te weten hoe de Hubblestroom precies verandert, evenals de massa ‘ s van de objecten waarnaar we worden getrokken door zwaartekracht., Op dit moment wordt de lokale groep gravitationeel getrokken naar ofwel de Shapley Supercluster of de “grote Aantrekker” waarmee, als donkere energie niet zou werken, we uiteindelijk zouden samensmelten en niet langer van ons weg zouden zien groeien na zo ‘ n tijd.

een gevolg van metrische expansie als gevolg van traagheidsbeweging is dat een uniforme lokale “explosie” van materie in een vacuüm lokaal kan worden beschreven door de FLRW-meetkunde, dezelfde meetkunde die de expansie van het universum als geheel beschrijft en ook de basis was voor het eenvoudiger Milne-universum dat de effecten van zwaartekracht negeert., In het bijzonder voorspelt de algemene relativiteitstheorie dat licht zal bewegen met de snelheid c ten opzichte van de lokale beweging van de exploderende materie, een fenomeen analoog aan frame slepen.

de situatie verandert enigszins met de introductie van donkere energie of een kosmologische constante. Een kosmologische constante als gevolg van een vacuüm energiedichtheid heeft het effect van het toevoegen van een afstotende kracht tussen objecten die evenredig is (niet omgekeerd evenredig) aan de afstand. Anders dan inertie het actief “trekt” op objecten die samenklonterden onder de invloed van de zwaartekracht, en zelfs op individuele atomen., Dit zorgt er echter niet voor dat de objecten gestaag groeien of desintegreren; tenzij ze zeer zwak gebonden zijn, zullen ze zich eenvoudig vestigen in een evenwichtstoestand die iets (niet op te sporen) groter is dan het anders zou zijn geweest. Naarmate het universum uitdijt en de materie daarin dunner wordt, neemt de aantrekkingskracht van de zwaartekracht af (omdat deze evenredig is met de dichtheid), terwijl de kosmologische afstoting toeneemt; zo is het uiteindelijke lot van het ΛCDM-universum een bijna-vacuüm dat zich in een steeds toenemende mate uitbreidt onder invloed van de kosmologische constante., Echter, het enige lokaal zichtbare effect van de versnellende Expansie is het verdwijnen (door op hol geslagen roodverschuiving) van verre sterrenstelsels; gravitatiegebonden objecten zoals de Melkweg zetten niet uit en het Andromeda-sterrenstelsel beweegt zich snel genoeg naar ons toe dat het nog steeds zal fuseren met de Melkweg in 3 miljard jaar tijd, en het is ook waarschijnlijk dat de samengevoegde supergalaxy die zich vormt uiteindelijk zal vallen en samensmelten met de nabijgelegen Virgocluster. Echter, sterrenstelsels die verder weg van dit zullen verdwijnen met steeds toenemende snelheid en roodverschuiving buiten ons zichtbereik.,

metrische expansie en lichtsnelheid

aan het einde van de inflatoire periode van het vroege universum werd alle materie en energie in het universum ingesteld op een traagheidstraject in overeenstemming met het equivalentieprincipe en Einsteins algemene relativiteitstheorie en dit was het moment waarop de precieze en regelmatige vorm van de expansie van het universum zijn oorsprong had (dat wil zeggen, materie in het universum is aan het scheiden omdat het in het verleden scheidde vanwege het inflatonveld).,

hoewel speciale relativiteit objecten verbiedt om sneller dan licht te bewegen ten opzichte van een lokaal referentieframe waar de ruimtetijd als vlak en onveranderlijk kan worden behandeld, is dit niet van toepassing op situaties waarin de kromming van de ruimtetijd of de evolutie in de tijd belangrijk worden. Deze situaties worden beschreven door de algemene relativiteitstheorie, waardoor de scheiding tussen twee verre objecten sneller toeneemt dan de lichtsnelheid, hoewel de definitie van “afstand” hier enigszins verschilt van die in een traagheidsframe., De definitie van afstand die hier wordt gebruikt is de optelling of integratie van lokale comovingafstanden, allemaal gedaan op constante lokale juiste tijd. Bijvoorbeeld, sterrenstelsels die meer zijn dan de Hubble radius, ongeveer 4,5 gigaparsecs of 14,7 miljard lichtjaar, weg van ons hebben een recessie snelheid die sneller is dan de snelheid van het licht. De zichtbaarheid van deze objecten hangt af van de exacte expansiegeschiedenis van het heelal., Licht dat vandaag wordt uitgestraald door sterrenstelsels voorbij de verder verwijderde kosmologische waarnemingshorizon, ongeveer 5 gigaparsecs of 16 miljard lichtjaar, zal ons nooit bereiken, hoewel we nog steeds het licht kunnen zien dat deze sterrenstelsels in het verleden hebben uitgestraald. Door de hoge expansiesnelheid is het ook mogelijk dat een afstand tussen twee objecten groter is dan de waarde berekend door de lichtsnelheid te vermenigvuldigen met de leeftijd van het heelal. Deze details zijn een frequente bron van verwarring onder amateurs en zelfs professionele natuurkundigen., Vanwege de niet-intuïtieve aard van het onderwerp en wat door sommigen is beschreven als “onzorgvuldige” formuleringskeuzes, zijn bepaalde beschrijvingen van de metrische expansie van de ruimte en de misvattingen waartoe dergelijke beschrijvingen kunnen leiden, een voortdurend onderwerp van discussie binnen de gebieden van onderwijs en communicatie van wetenschappelijke concepten.

Schaal factorEdit

op een fundamenteel niveau is de expansie van het heelal een eigenschap van ruimtelijke meting op de grootste meetbare schalen van ons universum., De afstanden tussen kosmologisch relevante punten nemen toe naarmate de tijd verstrijkt, wat leidt tot waarneembare effecten die hieronder worden beschreven. Dit kenmerk van het universum kan worden gekarakteriseerd door een enkele parameter die de schaalfactor wordt genoemd die een functie is van de tijd en een enkele waarde voor alle ruimte op elk moment (als de schaalfactor een functie van de ruimte was, zou dit het kosmologische Principe schenden). Volgens afspraak is de schaalfactor in de huidige tijd eenheid en omdat het universum uitdijt, is het kleiner in het verleden en groter in de toekomst., Extrapolatie terug in de tijd met bepaalde kosmologische modellen zal een moment opleveren waarop de schaalfactor nul was; ons huidige begrip van de kosmologie stelt deze tijd op 13,799 ± 0,021 miljard jaar geleden. Als het heelal voor altijd blijft uitdijen, zal de schaalfactor oneindig naderen in de toekomst. In principe is er geen reden dat de uitdijing van het heelal monotoon moet zijn en er zijn modellen waarbij op een bepaald moment in de toekomst de schaalfactor afneemt met een daarmee gepaard gaande samentrekking van de ruimte in plaats van een expansie.,

andere conceptuele modellen van expansiedit

de expansie van de ruimte wordt vaak geïllustreerd met conceptuele modellen die alleen de grootte van de ruimte op een bepaald moment laten zien, waarbij de dimensie van de tijd impliciet blijft.

in de “ant on a rubber rope model” stelt men zich een mier voor (geïdealiseerd als puntachtig) die met een constante snelheid kruipt op een perfect elastisch touw dat voortdurend rekt., Als we het touw rekken in overeenstemming met de ΛCDM schaalfactor en denken aan de snelheid van de mier als de snelheid van het licht, dan is deze analogie numeriek accuraat – de positie van de mier in de tijd zal overeenkomen met het pad van de rode lijn op het inbeddiagram hierboven.

in het “model van de rubberen plaat” wordt de kabel vervangen door een platte tweedimensionale rubberen plaat die gelijkmatig in alle richtingen uitzet. De toevoeging van een tweede ruimtelijke dimensie verhoogt de mogelijkheid om lokale verstoringen van de ruimtelijke meetkunde door lokale kromming in de plaat te laten zien.,

In het “ballonmodel” wordt de platte plaat vervangen door een bolvormige ballon die wordt opgeblazen met een initiële grootte van nul (die de oerknal voorstelt). Een ballon heeft een positieve Gaussiaanse kromming, terwijl waarnemingen suggereren dat het echte universum ruimtelijk vlak is, maar deze inconsistentie kan worden geëlimineerd door de ballon erg groot te maken zodat hij lokaal vlak is tot binnen de grenzen van observatie. Deze analogie is mogelijk verwarrend omdat het ten onrechte suggereert dat de oerknal plaatsvond in het midden van de ballon., In feite hebben punten van het oppervlak van de ballon geen betekenis, Zelfs als ze eerder door de ballon werden bezet.

in het “rozijnenbrood model” stelt men zich een rozijnenbrood voor dat uitzet in de oven. Het brood (ruimte) zet als geheel uit, maar de rozijnen (gravitatiegebonden objecten) zetten niet uit; ze groeien alleen maar verder van elkaar af.