Measurement of expansionedit
When an object is receed, its light gets stretched (redshifted). Quando o objeto está se aproximando, sua luz fica comprimida (blueshifted).,
Em princípio, a expansão do universo poderia ser medida tomando-se uma régua padrão e medição da distância entre dois cosmologically pontos distantes, à espera de um certo tempo, e, em seguida, medir a distância novamente, mas, na prática, padrão governantes não são fáceis de encontrar em escalas cosmológicas e as escalas de tempo durante o qual um mensuráveis expansão seria visível são grandes demais para serem observáveis mesmo por várias gerações de seres humanos. A expansão do espaço é medida indiretamente., A teoria da relatividade prevê fenômenos associados com a expansão, nomeadamente o desvio para o vermelho versus distância em relação conhecida como Lei de Hubble; formas funcionais para as medições de distância cosmológica que diferem do que seria esperado se o espaço não eram expansão; e uma mudança observável na matéria e a densidade de energia do universo, visto em diferentes lookback vezes.
A primeira medição da expansão do espaço veio com a realização de Hubble da relação velocidade vs. redshift., Mais recentemente, comparando o brilho aparente de velas padrão distantes com o redshift de suas galáxias hospedeiras, a taxa de expansão do universo foi medida como H0 = 73,24 ± 1,74 (km/s)/Mpc. Isto significa que para cada milhão de parsecs de distância do observador, a luz recebida dessa distância é cosmologicamente redshifted por aproximadamente 73 quilômetros por segundo (160 mil mph). Por outro lado, assumindo um modelo cosmológico, por exemplo modelo Lambda-CDM, pode-se inferir a constante de Hubble do tamanho das maiores flutuações vistas no fundo cósmico de microondas., Uma constante Superior de Hubble implicaria um tamanho característico menor de flutuações CMB, e vice-versa. A colaboração de Planck mede a taxa de expansão desta forma e determina H0 = 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc. Há um desacordo entre as duas medidas, sendo a escada de distância independente do modelo e a medição CMB dependendo do modelo instalado, que aponta para a nova física além dos nossos modelos cosmológicos padrão.
O parâmetro Hubble não é considerado constante ao longo do tempo. Há forças dinâmicas atuando sobre as partículas no universo que afetam a taxa de expansão., Era esperado anteriormente que o parâmetro Hubble estaria diminuindo com o passar do tempo devido à influência de interações gravitacionais no universo, e assim há uma quantidade observável adicional no universo chamado de parâmetro de desaceleração que cosmólogos esperavam estar diretamente relacionados com a densidade da matéria do universo. Surpreendentemente, o parâmetro de desaceleração foi medido por dois grupos diferentes para ser inferior a zero (na verdade, consistente com -1), o que implicou que hoje o parâmetro Hubble está convergindo para um valor constante com o passar do tempo., Alguns cosmólogos têm chamado caprichosamente o efeito associado com o” universo acelerado “o”idiota cósmico”. O Prêmio Nobel de Física de 2011 foi dado pela descoberta deste fenômeno.
Em outubro de 2018, os cientistas apresentaram uma nova terceira forma (dois métodos anteriores, baseada em desvios para o vermelho e outro no cósmica distância escada, deu resultados que não concorda), usando a informação de ondas gravitacionais eventos (especialmente aqueles que envolvem a fusão de estrelas de nêutrons, como GW170817), para determinar a Constante de Hubble, essenciais para estabelecer a taxa de expansão do universo.,
medir distâncias na expansão do spaceEdit
em escalas cosmológicas, o universo atual é geometricamente plano, ou seja, as regras da geometria euclidiana associadas com o quinto postulado de Euclides, embora no espaço-tempo passado pudesse ter sido altamente curvado. Em parte para acomodar tais geometrias diferentes, a expansão do universo é inerentemente relativista geral; não pode ser modelada apenas com a relatividade especial, embora tais modelos existam, eles estão em desacordo fundamental com a interação observada entre matéria e espaço-tempo visto em nosso universo.,
As imagens à direita mostram duas vistas de diagramas de espaço-tempo que mostram a geometria em grande escala do universo de acordo com o modelo cosmológico ΛCDM. Duas das dimensões do espaço são omitidas, deixando uma dimensão do espaço (a dimensão que cresce à medida que o cone fica maior) e uma de tempo (a dimensão que procede “para cima” da superfície do cone)., A estreita circular final do diagrama corresponde a um cosmológica de tempo de 700 milhões de anos após o big bang, enquanto a grande final é um cosmológica de tempo de 18 bilhões de anos, onde pode-se ver o início da expansão acelerada como uma splaying para fora do espaço-tempo, um recurso que eventualmente domina neste modelo. As linhas roxas marcam tempo cosmológico em intervalos de um bilhão de anos do Big bang. O ciano linhas de grade marcar comoving distância, em intervalos de um bilhão de anos-luz, na era atual (menos no passado e mais no futuro)., Note que a curva circular da superfície é um artefato da incorporação sem significância física e é feito puramente para tornar a ilustração visível; o espaço não se enrola em si mesmo. (Um efeito similar pode ser visto na forma tubular da pseudosfera.)
A linha marrom no diagrama é a linha do mundo da terra (ou, em épocas anteriores, da matéria que condensou para formar a Terra). A linha amarela é a linha do mundo do quasar mais distante conhecido., A linha vermelha é o caminho de um feixe de luz emitido pelo quasar há cerca de 13 bilhões de anos e alcançando a terra nos dias de hoje. A linha laranja mostra a distância atual entre o quasar e a terra, cerca de 28 bilhões de anos-luz, que é, notavelmente, uma distância maior do que a idade do universo multiplicada pela velocidade da luz: ct.
de acordo com o princípio de equivalência da relatividade geral, as regras da relatividade especial são localmente válidas em pequenas regiões do espaço-tempo que são aproximadamente plana., Em particular, a luz viaja sempre localmente à velocidade c; no nosso diagrama, isto significa, de acordo com a Convenção de construir diagramas de espaço-tempo, que os feixes de luz fazem sempre um ângulo de 45° com as linhas da grelha local. Não segue, no entanto, que a luz viaja uma TC de distância em um tempo t, como a linha vermelha do mundo ilustra. Enquanto ele sempre se move localmente em c, seu tempo em trânsito (cerca de 13 bilhões de anos) não está relacionado com a distância percorrida de forma simples, uma vez que o universo se expande à medida que o feixe de luz atravessa o espaço e o tempo., De facto, a distância percorrida é inerentemente ambígua devido à escala em mudança do universo. No entanto, destacam-se duas distâncias que parecem ser fisicamente significativo: a distância entre a Terra e o quasar quando a luz foi emitida, e a distância entre eles, na era atual (tirando uma fatia do cone junto a dimensão que nós declaramos ser a dimensão espacial)., A distância anterior é de cerca de 4 bilhões de anos-luz, muito menor que a ct porque o universo se expandiu à medida que a luz viajava a distância, a luz tinha que “correr contra a passadeira” e, portanto, foi mais longe do que a separação inicial entre a terra e o quasar. A última distância (mostrada pela linha laranja) é de cerca de 28 bilhões de anos-luz, muito maior que a ct., Se a expansão pudesse ser parada instantaneamente hoje, levaria 28 bilhões de anos para a luz viajar entre a terra e o quasar, enquanto se a expansão tivesse parado no tempo anterior, teria levado apenas 4 bilhões de anos.,
A luz demorou muito mais de 4 bilhões de anos para chegar até nós, apesar de que ela foi emitida a partir de apenas 4 bilhões de anos-luz de distância, e, na verdade, a luz emitida para a Terra, na verdade, foi afastando-se da Terra, quando foi emitida, no sentido de que a métrica de distância da Terra aumentou com o tempo cosmológico para os primeiros mil milhões de anos de tempo de viagem, e também indica que a expansão do espaço entre a Terra e o quasar no início foi mais rápido do que a velocidade da luz., Nenhum destes comportamentos surpreendentes se origina de uma propriedade especial de expansão métrica, mas simplesmente de princípios locais de relatividade especial Integrados sobre uma superfície curva.
Topologia de expansão spaceEdit
Uma representação gráfica da expansão do universo desde o Big Bang até os dias de hoje, com a inflação época representada como a dramática expansão da métrica visto à esquerda. Esta visualização pode ser confusa porque parece que o universo está se expandindo para um espaço vazio pré-existente ao longo do tempo., Em vez disso, a expansão criou, e continua a criar, todo o espaço e tempo conhecidos.
ao longo do tempo, o espaço que compõe o universo está se expandindo. As palavras “espaço” e “Universo”, por vezes utilizadas indistintamente, têm significados distintos neste contexto., Aqui ‘espaço’ é um conceito matemático que representa as três dimensões do distribuidor para que nossas respectivas posições são incorporados, enquanto que o “universo” se refere a tudo que existe, incluindo a matéria e energia no espaço, o extra-dimensões que podem ser embrulhados em várias seqüências de caracteres, e o tempo, através do qual ocorrem vários eventos. A expansão do espaço refere-se apenas a esta variedade 3-D, ou seja, a descrição não envolve estruturas como dimensões extras ou um universo exterior.,
O ultimate topologia do espaço é um posteriori – algo que, em princípio, deve ser observado, pois não há restrições que podem simplesmente ser fundamentado (em outras palavras, não pode ser qualquer um a priori restrições) sobre como o espaço em que vivemos é ligado ou se ele agrupa em torno de si como um espaço compacto., Embora certos modelos cosmológicos, tais como Gödel do universo mesmo permitir bizarro worldlines que se cruzam entre si, em última análise, a questão de saber se estamos em algo como um “Pac-Man universe”, onde se viaja longe o suficiente em uma direção permitiriam simplesmente acabar de volta no mesmo lugar, como ir todo o caminho ao redor da superfície de um balão (ou um planeta como a Terra) é um observacionais questão, que é restrita como mensuráveis ou não mensuráveis pelo universo global da geometria., Atualmente, as observações são consistentes com o Universo sendo infinito em extensão e simplesmente conectado, embora estejamos limitados em distinguir entre propostas simples e mais complicadas por horizontes cosmológicos., O universo pode ser infinito em extensão ou poderia ser finito; mas a evidência de que o leva para o modelo inflacionário do universo primordial implica também que o “total do universo é muito maior do que o universo observável, e para quaisquer bordas ou exóticos geometrias ou topologias de não ser diretamente observável, como se a luz não atingiu escalas em que tais aspectos do universo, se existem, são ainda permitidos. Para todos os efeitos, é seguro assumir que o universo é infinito em extensão espacial, sem borda ou conexão estranha.,
, Independentemente da forma geral do universo, a questão de que o universo está se expandindo é um que não requer uma resposta de acordo com as teorias que descrevem a expansão; o jeito de definir o espaço em nosso universo, de jeito nenhum, requer mais espaço em que ele pode expandir-se desde a expansão de uma expansão infinita pode acontecer sem mudar a infinita extensão do firmamento. Tudo o que é certo é que a variedade de espaço em que vivemos simplesmente tem a propriedade de que as distâncias entre objetos estão ficando maiores com o passar do tempo., Isto só implica as simples consequências observacionais associadas à expansão métrica explorada abaixo. Não é necessário” fora ” ou embutir no hiperespaço para que uma expansão ocorra. As visualizações muitas vezes vistas do universo crescendo como uma bolha no Nada são enganadoras a esse respeito. Não há razão para acreditar que haja algo “fora” do universo em expansão para o qual o universo se expande.,mesmo que a extensão espacial global seja infinita e assim o universo não possa ficar “maior”, ainda dizemos que o espaço está se expandindo porque, localmente, a distância característica entre objetos está aumentando. À medida que um espaço infinito cresce, permanece infinito.
densidade do universo durante a expansão
apesar de ser extremamente denso quando muito jovem e durante parte de sua expansão inicial – muito mais denso do que é normalmente necessário para formar um buraco negro – o universo não re-colapsou em um buraco negro., Isto porque cálculos comumente usados para o colapso gravitacional são geralmente baseados em objetos de tamanho relativamente constante, como estrelas, e não se aplicam a espaço em rápida expansão, como o Big Bang.
efeitos da expansão em pequenos escalesedit
a expansão do espaço é por vezes descrita como uma força que age para afastar objetos. Embora esta seja uma descrição precisa do efeito da constante cosmológica, não é uma imagem precisa do fenômeno da expansão em geral.,
Animation of an expanding raisin bread model. Como o pão dobra em largura (profundidade e comprimento), as distâncias entre passas também dobram.
além de abrandar a expansão global, a gravidade causa aglomeração local de matéria em estrelas e galáxias. Uma vez que os objetos são formados e vinculados pela gravidade, eles “desistem” da expansão e não se expandem subseqüentemente sob a influência da métrica cosmológica, não havendo nenhuma força que os obrigue a fazê-lo.,
não há diferença entre a expansão inercial do universo e a separação inercial de objetos próximos num vácuo; o primeiro é simplesmente uma extrapolação em larga escala do segundo.uma vez que os objetos estão ligados pela gravidade, eles já não se afastam uns dos outros. Assim, a galáxia de Andrômeda, que está ligada à galáxia Via Láctea, está realmente caindo na nossa direção e não está se expandindo. Dentro do Grupo Local, as interações gravitacionais mudaram os padrões inerciais de objetos de tal forma que não há expansão cosmológica ocorrendo., Uma vez que se vai além do Grupo Local, A expansão inercial é mensurável, embora efeitos gravitacionais sistemáticos implicam que partes maiores e maiores do espaço eventualmente cairão do “fluxo de Hubble” e terminarão como objetos ligados, não-expandindo até as escalas de superaglomerados de galáxias. Podemos prever tais eventos futuros, sabendo a forma precisa como o fluxo de Hubble está mudando, bem como as massas dos objetos para os quais estamos sendo gravitacionalmente puxados., Atualmente, o Grupo Local está sendo gravitacionalmente puxada para o Shapley superaglomerado de virgem ou o “Grande Atrator”, com o qual, se a energia escura não estavam atuando, nós, eventualmente, de mala e deixar de ver expandir longe de nós, depois de um tempo.
Uma consequência da métrica de expansão devido à inércia do movimento é que um uniforme locais “explosão” de matéria em um vácuo pode ser localmente descrito pelo FLRW geometria, a mesma geometria que descreve a expansão do universo como um todo e também foi a base para o mais simples Milne universo que ignora os efeitos da gravidade., Em particular, a relatividade geral prevê que a luz se moverá à velocidade c em relação ao movimento local da matéria explodindo, um fenômeno análogo ao arrastamento de quadros.
a situação muda um pouco com a introdução de energia escura ou uma constante cosmológica. Uma constante cosmológica devido a uma densidade de energia de vácuo tem o efeito de adicionar uma força repulsiva entre objetos que é proporcional (não inversamente proporcional) à distância. Ao contrário da inércia, ela ativamente “puxa” sobre objetos que se aglomeraram sob a influência da gravidade, e até mesmo sobre átomos individuais., No entanto, isso não faz com que os objetos cresçam de forma constante ou se desintegrem; a menos que sejam muito fracos, eles simplesmente se estabelecerão em um estado de equilíbrio que é ligeiramente (indetectavelmente) maior do que teria sido de outra forma. À medida que o universo se expande e a matéria nele se dilui, a atração gravitacional diminui (uma vez que é proporcional à densidade), enquanto a repulsão cosmológica aumenta; assim, o destino final do universo ΛCDM é um vácuo próximo, expandindo-se a uma taxa cada vez maior sob a influência da constante cosmológica., No entanto, a única localmente efeito visível da expansão acelerada é o desaparecimento (por runaway redshift) de galáxias distantes; gravitacionalmente ligadas objetos como a via-Láctea não expandir e a galáxia de Andrômeda está se movendo rápido o suficiente para nós que ele ainda vai se fundir com a via Láctea em 3 bilhões de anos, e também é provável que a nova supergalaxy que formulários, eventualmente, cair e se fundir com a vizinha enxame de Virgem. No entanto, as galáxias mais afastadas irão afastar-se a uma velocidade cada vez maior e ser redshifted fora da nossa gama de visibilidade.,
Métricas de expansão e velocidade de lightEdit
No final do início do universo inflacionário do período, toda a matéria e energia no universo foi definido um referencial, trajetória consistente com o princípio de equivalência e de Einstein da teoria da relatividade geral e isso é quando o preciso e regular do universo de expansão teve sua origem (isto é, a matéria, o universo está se separando porque ele estava separando, no passado, devido ao campo inflaton).,embora a relatividade especial proíba que os objetos se movam mais rápido do que a luz em relação a um referencial local onde o espaço-tempo pode ser tratado como plano e imutável, não se aplica a situações em que a curvatura ou evolução do espaço-tempo no tempo se tornam importantes. Estas situações são descritas pela relatividade geral, que permite que a separação entre dois objetos distantes aumente mais rápido do que a velocidade da luz, embora a definição de “distância” aqui seja um pouco diferente da usada em um referencial inercial., A definição de distância aqui usada é a soma ou integração de distâncias locais de comoving, tudo feito em tempo constante local apropriado. Por exemplo, galáxias que são mais do que o raio de Hubble, aproximadamente 4,5 gigaparsecs ou 14,7 bilhões de anos-luz, longe de nós têm uma velocidade de recessão que é mais rápida do que a velocidade da luz. A visibilidade destes objetos depende da história exata da expansão do universo., A luz que é emitida hoje de galáxias além do horizonte de eventos cosmológicos mais distante, cerca de 5 gigaparsecs ou 16 bilhões de anos-luz, nunca nos alcançará, embora ainda possamos ver a luz que essas galáxias emitiram no passado. Devido à alta taxa de expansão, também é possível que uma distância entre dois objetos seja maior do que o valor calculado multiplicando a velocidade da luz pela Idade do universo. Estes detalhes são uma fonte freqüente de confusão entre amadores e até mesmo físicos profissionais., Devido à natureza não intuitiva do assunto e o que tem sido descrito por alguns como escolhas de formulação “descuidadas”, certas descrições da expansão métrica do espaço e os equívocos a que tais descrições podem conduzir são um assunto contínuo de discussão dentro das áreas de educação e comunicação dos conceitos científicos.a expansão do universo é uma propriedade da medida espacial nas maiores escalas mensuráveis do nosso universo., As distâncias entre pontos cosmologicamente relevantes aumentam à medida que o tempo passa, levando a efeitos observáveis descritos abaixo. Esta característica do universo pode ser caracterizado por um único parâmetro que é chamado de fator de escala, que é uma função do tempo e um único valor para todo o espaço, em qualquer instante (se o fator de escala eram uma função do espaço, isso violaria o princípio cosmológico). Por convenção, o Fator de escala está definido para ser unidade no tempo presente e, porque o universo está se expandindo, é menor no passado e maior no futuro., Extrapolar no tempo com certos modelos cosmológicos produzirá um momento em que o Fator de escala era zero; nossa compreensão atual dos conjuntos cosmológicos desta vez em 13.799 ± 0,021 bilhões de anos atrás. Se o universo continuar a expandir-se para sempre, o factor de escala irá aproximar-se do infinito no futuro. Em princípio, não há razão para que a expansão do universo deve ser monótona e existem modelos que em algum momento no futuro, o fator de escala diminui com um atendente contração de espaço ao invés de uma expansão.,
Outros modelos conceituais de expansionEdit
A expansão do espaço é, muitas vezes, ilustrados com modelos conceituais que mostram apenas o tamanho do espaço em um determinado tempo, deixando a dimensão de tempo implícito.
na “formiga on a rubber rope model” imagina-se uma formiga (idealizada como pontiaguda) rastejando a uma velocidade constante em uma corda perfeitamente elástica que está constantemente se esticando., Se esticarmos a corda de acordo com o Fator de escala ΛCDM e pensarmos na velocidade da formiga como a velocidade da luz, então esta analogia é numericamente precisa – a posição da formiga ao longo do tempo irá corresponder ao caminho da linha vermelha no diagrama de incorporação acima.
no “modelo da folha de borracha” substitui-se a corda por uma folha de borracha bidimensional plana que se expande uniformemente em todas as direcções. A adição de uma segunda dimensão espacial levanta a possibilidade de mostrar perturbações locais da geometria espacial pela curvatura local na folha.,
no “modelo de balão” a folha plana é substituída por um balão esférico que é inflado a partir de um tamanho inicial de zero (representando o Big bang). Um balão tem curvatura gaussiana positiva, enquanto observações sugerem que o universo real é espacialmente plano, mas esta inconsistência pode ser eliminada fazendo o balão muito grande de modo que seja localmente plano para dentro dos limites da observação. Esta analogia é potencialmente confusa, uma vez que sugere erradamente que o Big bang ocorreu no centro do balão., Na verdade, os pontos fora da superfície do balão não têm significado, mesmo se eles foram ocupados pelo balão em um momento anterior.no” modelo de pão de passas ” imagina-se um rolo de pão de passas expandindo-se no forno. O pão (espaço) se expande como um todo, mas as passas (objetos gravitacionalmente ligados) não se expandem; elas simplesmente crescem mais longe umas das outras.