Expansion av universum

mätning av expansion och förändring av expansionshastigheten

i princip kan universums expansion mätas genom att ta en standard linjal och mäta avståndet mellan två kosmologiskt avlägsna punkter, vänta en viss tid och sedan mäta avståndet igen, men i praktiken är standard linjaler inte lätta att hitta på kosmologiska skalor och de tidsskalor över vilka en mätbar expansion skulle vara synlig är för stora för att vara observerbar även av flera generationer av människor. Expansionen av rymden mäts indirekt., Relativitetsteorin förutspår fenomen i samband med expansionen, särskilt redshift-versus-distansförhållandet som kallas Hubbles lag; funktionella former för kosmologiska avståndsmätningar som skiljer sig från vad som skulle förväntas om rymden inte expanderade; och en observerbar förändring i universums Materia och energitäthet som ses vid olika tittartider.

den första mätningen av expansionen av rymden kom med Hubbles förverkligande av velocity vs redshift-relationen., Senast har universums expansionshastighet uppmätts till H0 = 73,24 ± 1,74 (km/s)/Mpc genom att jämföra den skenbara ljusstyrkan hos avlägsna standardljus med rödförskjutning hos sina värdgalaxer. Detta innebär att för varje miljon parsecs avstånd från observatören är det ljus som mottas från det avståndet kosmologiskt redshifted med cirka 73 kilometer per sekund (160 000 mph). Å andra sidan, genom att anta en kosmologisk Modell, t.ex. Lambda-CDM-modell, kan man dra slutsatsen Hubblekonstanten från storleken på de största fluktuationerna som ses i den kosmiska mikrovågsbakgrunden., En högre Hubble konstant skulle innebära en mindre karakteristisk storlek av CMB fluktuationer, och vice versa. Planck-samarbetet mäter expansionshastigheten på detta sätt och bestämmer H0 = 67,4 ± 0,5 (km/s) / Mpc. Det finns en oenighet mellan de två mätningarna, avståndsstegen är modelloberoende och CMB-mätningen beroende på den monterade modellen, som antyder ny fysik utöver våra standardkosmologiska modeller.

Hubble-parametern anses inte vara konstant genom tiden. Det finns dynamiska krafter som verkar på partiklarna i universum som påverkar expansionshastigheten., Det förväntades tidigare att Hubble-parametern skulle minska när tiden gick på grund av påverkan av gravitationsinteraktioner i universum, och därmed finns det en ytterligare observerbar mängd i universum som kallas retardationsparametern som kosmologer förväntade sig vara direkt relaterad till universums materiadensitet. Förvånansvärt mättes retardationsparametern av två olika grupper för att vara mindre än noll (faktiskt överensstämmande med -1) vilket innebar att Hubble-parametern idag konvergerar till ett konstant värde när tiden går vidare., Vissa kosmologer har nyckfullt kallat effekten i samband med” accelererande universum ”den”kosmiska jerk”. 2011 års Nobelpris i fysik gavs för upptäckten av detta fenomen.

i oktober 2018 presenterade forskare en ny tredje väg (två tidigare metoder, en baserade på redshifts och en annan på den kosmiska avståndsstegen, gav resultat som inte överens), med hjälp av information från gravitationsvåghändelser (särskilt de som involverar sammanslagning av neutronstjärnor, som GW170817), för att bestämma Hubblekonstanten, som är nödvändig för att fastställa universums expansionshastighet.,

mäta avstånd i expanderande spaceEdit

vid kosmologiska skalor är det nuvarande universum geometriskt platt, vilket är att säga att reglerna för euklidisk geometri associerad med Euclids femte postulat, men i det förflutna rymdtid kunde ha varit mycket krökt. Delvis för att rymma sådana olika geometrier är universums expansion i sig generell relativistisk; den kan inte modelleras med enbart speciell relativitet, även om sådana modeller existerar, är de i grundläggande odds med den observerade interaktionen mellan materia och rymdtid som ses i vårt universum.,

bilderna till höger visar två vyer av rymdtidsscheman som visar universums storskaliga geometri enligt ΛCDM: s kosmologiska modell. Två av rymdens dimensioner utelämnas, vilket ger en dimension av rymden (dimensionen som växer när konen blir större) och en av tiden (dimensionen som fortsätter ”upp” konens yta)., Den smala cirkulära änden av diagrammet motsvarar en kosmologisk tid på 700 miljoner år efter big bang medan den breda änden är en kosmologisk tid på 18 miljarder år, där man kan se början på den accelererande expansionen som en splaying utåt av rymdtiden, en funktion som så småningom dominerar i denna modell. De lila rutnätslinjerna markerar den kosmologiska tiden i intervall om en miljard år från big bang. De cyan rutnät linjer markerar comoving avstånd med intervall om en miljard ljusår i den nuvarande eran (mindre i det förflutna och mer i framtiden)., Observera att den cirkulära curling av ytan är en artefakt av inbäddning utan fysisk betydelse och görs enbart för att göra illustrationen synlig; utrymme faktiskt inte krypa runt på sig själv. (En liknande effekt kan ses i pseudosfärens rörformiga form.)

den bruna linjen på diagrammet är jordens världslinje (eller, vid tidigare tillfällen, av den fråga som kondenseras för att bilda jorden). Den gula linjen är världslinjen för den mest avlägsna kända quasar., Den röda linjen är vägen för en ljusstråle som emitteras av kvasaren för cirka 13 miljarder år sedan och når jorden i dag. Den orange linjen visar dagens avstånd mellan kvasaren och jorden, cirka 28 miljarder ljusår, vilket i synnerhet är ett större avstånd än universums ålder multiplicerat med ljusets hastighet: ct.

enligt ekvivalensprincipen för allmän relativitet är reglerna för speciell relativitet lokalt giltiga i små regioner av rymdtid som är ungefär plana., I synnerhet färdas ljuset alltid lokalt vid hastigheten c; i vårt diagram betyder detta, enligt konventionen att konstruera rymdtidsscheman, att ljusstrålar alltid gör en vinkel på 45 ° med de lokala rutnätslinjerna. Det följer emellertid inte att ljuset färdas en distans ct i en tid t, som den röda världslinjen illustrerar. Medan den alltid rör sig lokalt vid c, är dess tid i transit (cirka 13 miljarder år) inte relaterad till det avstånd som reste på något enkelt sätt eftersom universum expanderar när ljusstrålen passerar utrymme och tid., Faktum är att avståndet som reste är i sig tvetydigt på grund av universums förändrade skala. Ändå kan vi utesluta två avstånd som verkar vara fysiskt meningsfulla: avståndet mellan jorden och kvasaren när ljuset emitterades och avståndet mellan dem i den nuvarande eran (med en bit av konen längs den dimension som vi har förklarat vara den rumsliga dimensionen)., Det tidigare avståndet är cirka 4 miljarder ljusår, mycket mindre än ct eftersom universum expanderade när ljuset reste avståndet, ljuset var tvungen att” springa mot löpbandet ” och gick därför längre än den ursprungliga separationen mellan jorden och kvasaren. Det senare avståndet (som visas av den orange linjen) är cirka 28 miljarder ljusår, mycket större än ct., Om expansionen kunde stoppas omedelbart idag skulle det ta 28 miljarder år för ljus att resa mellan jorden och kvasaren, medan om expansionen hade slutat vid den tidigare tiden skulle det bara ha tagit 4 miljarder år.,

ljuset tog mycket längre tid än 4 miljarder år att nå oss, även om det emitterades från endast 4 miljarder ljusår bort, och det ljus som emitterades mot jorden rörde sig faktiskt bort från jorden när det först emitterades, i den meningen att det metriska avståndet till jorden ökade med kosmologisk tid för de första miljard åren av sin restid, och indikerar också att expansionen av rymden mellan jorden och kvasaren i början var snabbare än ljusets hastighet., Inget av detta överraskande beteende härstammar från en speciell egenskap av metrisk expansion, utan helt enkelt från lokala principer för speciell relativitet integrerad över en krökt yta.

topologi av expanderande spaceEdit

med tiden expanderar det utrymme som utgör universum. Orden ”utrymme” och ”universum”, som ibland används omväxlande, har olika betydelser i detta sammanhang., Här ”space” är ett matematiskt koncept som står för det tredimensionella grenröret i vilket våra respektive positioner är inbäddade medan ”universum” avser allt som finns, inklusive Materia och energi i rymden, de extra dimensioner som kan vara inslagna i olika strängar och den tid genom vilken olika händelser äger rum. Expansionen av rymden är endast i hänvisning till detta 3-D-grenrör; det vill säga beskrivningen omfattar inga strukturer som extra dimensioner eller ett yttre universum.,

den ultimata topologin av rymden är en posteriori-något som i princip måste observeras – eftersom det inte finns några begränsningar som helt enkelt kan motiveras (med andra ord kan det inte finnas några a priori-begränsningar) om hur det utrymme som vi lever är anslutet eller om det sveper runt på sig själv som ett kompakt utrymme., Även om vissa kosmologiska modeller som Gödels universum till och med tillåter bisarra världslinjer som skär med sig själva, är frågan om vi är i något som ett ”Pac-Man-universum” där om vi reser tillräckligt långt i en riktning skulle tillåta att man helt enkelt hamnar tillbaka på samma plats som att gå hela vägen runt ytan av en ballong (eller en planet som jorden) är en observationell fråga som begränsas som mätbar eller icke-mätbar av universums globala geometri., För närvarande är observationer förenliga med att universum är oändligt i omfattning och helt enkelt kopplat, även om vi är begränsade i att skilja mellan enkla och mer komplicerade förslag från kosmologiska horisonter., Universum kan vara oändligt i omfattning eller det kan vara ändligt; men de bevis som leder till den inflationära modellen i det tidiga universum innebär också att ”total universum” är mycket större än det observerbara universum, och så några kanter eller exotiska geometrier eller topologier skulle inte vara direkt observerbara eftersom ljuset inte har nått skalor på vilka sådana aspekter av universum, om de finns, fortfarande är tillåtna. I alla avseenden är det säkert att anta att universum är oändligt i rumslig utsträckning, utan kant eller konstig samhörighet.,

oavsett universums övergripande form är frågan om vad universum expanderar till en som inte kräver ett svar enligt de teorier som beskriver expansionen; hur vi definierar rymden i vårt universum på något sätt kräver ytterligare yttre utrymme i vilket det kan expandera eftersom en expansion av en oändlig expanse kan hända utan att ändra den oändliga omfattningen av expansionen. Allt som är säkert är att grenröret av rymden där vi bor helt enkelt har egenskapen att avstånden mellan objekt blir större när tiden går., Detta innebär bara de enkla observationella konsekvenserna i samband med den metriska expansionen som utforskas nedan. Ingen ”utanför” eller inbäddning i hyperrymden krävs för att en expansion ska inträffa. De visualiseringar som ofta ses av universum växer som en bubbla till intet är vilseledande i det avseendet. Det finns ingen anledning att tro att det finns något ”utanför” av det expanderande universum i vilket universum expanderar.,

även om den totala rumsliga omfattningen är oändlig och därmed universum inte kan få någon ”större”, säger vi fortfarande att utrymmet expanderar eftersom det karakteristiska avståndet mellan objekt ökar lokalt. När ett oändligt utrymme växer förblir det oändligt.

universums densitet under expansionEdit

trots att den är extremt tät när den är mycket ung och under en del av sin tidiga expansion – mycket tätare än vad som vanligtvis krävs för att bilda ett svart hål – kollapsade universum inte igen i ett svart hål., Detta beror på att vanliga beräkningar för gravitationskollaps vanligtvis baseras på föremål av relativt konstant storlek, såsom stjärnor, och gäller inte för snabbt växande utrymme som Big Bang.

effekter av expansion på små scalesEdit

expansionen av rymden beskrivs ibland som en kraft som verkar för att skjuta objekt isär. Även om detta är en noggrann beskrivning av effekten av den kosmologiska konstanten, är det inte en korrekt bild av fenomenet expansion i allmänhet.,

förutom att bromsa den totala expansionen, orsakar gravitationen lokal klumpning av materia i stjärnor och galaxer. När objekt bildas och binds av gravitation, de ”släppa ut” av expansionen och inte därefter expandera under påverkan av den kosmologiska metriska, det finns ingen kraft som tvingar dem att göra det.,

det finns ingen skillnad mellan universums tröghetsutvidgning och tröghetsutvidgningen av närliggande föremål i ett vakuum; den förra är helt enkelt en storskalig extrapolering av den senare.

När objekt är bundna av gravitation, de inte längre avta från varandra. Således faller Andromeda-galaxen, som är bunden till Vintergatan, faktiskt mot oss och expanderar inte bort. Inom den lokala gruppen har gravitationsinteraktionerna förändrat tröghetsmönstren för objekt så att det inte sker någon kosmologisk expansion., När en går bortom den lokala gruppen är tröghetsutvidgningen mätbar, men systematiska gravitationseffekter innebär att större och större delar av rymden så småningom kommer att falla ut ur ”Hubbleflödet” och hamna som bundna, icke-expanderande föremål upp till skalorna av superklustrar av galaxer. Vi kan förutsäga sådana framtida händelser genom att veta det exakta sättet Hubbleflödet förändras såväl som massorna av de föremål som vi gravitationellt dras till., För närvarande dras den lokala gruppen gravitationellt mot antingen Shapley Supercluster eller den” stora Attraktorn ” som, om mörk energi inte fungerade, skulle vi så småningom slå samman och inte längre se expandera bort från oss efter en sådan tid.

en följd av att metrisk expansion beror på tröghetsrörelse är att en enhetlig lokal ”explosion” av materia i ett vakuum kan beskrivas lokalt av FLRW-geometrin, samma geometri som beskriver universums expansion som helhet och var också grunden för det enklare Milne-universum som ignorerar gravitationseffekterna., I synnerhet förutspår allmän relativitet att ljuset kommer att röra sig vid hastigheten C med avseende på den exploderande materiens lokala rörelse, ett fenomen som är analogt med ramdragning.

situationen förändras något med införandet av mörk energi eller en kosmologisk konstant. En kosmologisk konstant på grund av en vakuumenergitäthet har effekten att lägga till en repulsiv kraft mellan föremål som är proportionella (inte omvänt proportionella) till avstånd. Till skillnad från tröghet det aktivt ”drar” på föremål som har klumpat ihop under inverkan av tyngdkraften, och även på enskilda atomer., Detta leder dock inte till att föremålen växer stadigt eller att sönderfalla. om de inte är mycket svagt bundna, kommer de helt enkelt att bosätta sig i ett jämviktsläge som är något (oupptäckt) större än det annars skulle ha varit. När universum expanderar och saken i det tunnar, minskar gravitationens attraktion (eftersom den är proportionell mot densiteten), medan den kosmologiska repulsionen ökar; sålunda är ΛCDM-universums ultimata öde ett nära vakuum som expanderar i en ständigt ökande takt under påverkan av den kosmologiska konstanten., Men den enda lokalt synliga effekten av den accelererande expansionen är försvinnandet (av runaway redshift) av avlägsna galaxer; gravitationsbundna föremål som Vintergatan expanderar inte och Andromeda-galaxen rör sig tillräckligt snabbt mot oss för att den fortfarande kommer att slå samman med Vintergatan om 3 miljarder år, och det är också troligt att den sammanslagna supergalaxi som bildas så småningom kommer att falla in och samman med den närliggande Virgohopen. Galaxer som ligger längre bort från detta kommer dock att försvinna i ständigt ökande hastighet och bli omskuggade ur vårt synlighetsområde.,

metrisk expansion och hastighet av lightEdit

i slutet av det tidiga universums inflationsperiod sattes all materia och energi i universum på en tröghetsbana som överensstämde med ekvivalensprincipen och Einsteins allmänna relativitetsteori och detta är när den exakta och regelbundna formen av universums expansion hade sitt ursprung (det vill säga materia i universum skiljer sig eftersom det separerade tidigare på grund av inflatonfältet).,

medan speciell relativitet förbjuder föremål att röra sig snabbare än ljus med avseende på en lokal referensram där rymdtid kan behandlas som platt och oföränderlig, gäller den inte för situationer där rumtidens krökning eller utveckling i tid blir viktig. Dessa situationer beskrivs av allmän relativitet, vilket gör att separationen mellan två avlägsna föremål kan öka snabbare än ljusets hastighet, även om definitionen av ”avstånd” här är något annorlunda än den som används i en tröghetsram., Definitionen av avstånd som används här är summering eller integration av lokala comoving avstånd, allt gjort på konstant lokal rätt tid. Till exempel har galaxer som är mer än Hubbleradien, cirka 4,5 gigaparsecs eller 14,7 miljarder ljusår, bort från oss en lågkonjunkturhastighet som är snabbare än ljusets hastighet. Synligheten hos dessa objekt beror på universums exakta expansionshistoria., Ljus som idag avges från galaxer bortom den mer avlägsna kosmologiska händelsehorisonten, cirka 5 gigaparsecs eller 16 miljarder ljusår, kommer aldrig att nå oss, även om vi fortfarande kan se ljuset som dessa galaxer emitterade tidigare. På grund av den höga expansionshastigheten är det också möjligt att ett avstånd mellan två objekt är större än det värde som beräknas genom att multiplicera ljusets hastighet med universums ålder. Dessa detaljer är en vanlig källa till förvirring bland amatörer och till och med professionella fysiker., På grund av ämnets icke-intuitiva natur och vad som har beskrivits av vissa som ”slarviga” val av formulering, är vissa beskrivningar av den metriska expansionen av rymden och de missuppfattningar som sådana beskrivningar kan leda ett pågående diskussionsämne inom områdena utbildning och kommunikation av vetenskapliga begrepp.

skala factorEdit

på en grundläggande nivå är universums expansion en egenskap av rumslig mätning på de största mätbara skalorna i vårt universum., Avstånden mellan kosmologiskt relevanta punkter ökar när tiden går, vilket leder till observerbara effekter som beskrivs nedan. Denna egenskap hos universum kan karakteriseras av en enda parameter som kallas skalfaktorn som är en funktion av tid och ett enda värde för allt utrymme vid något tillfälle (om skalfaktorn var en funktion av rymden, skulle detta bryta mot den kosmologiska principen). Enligt konventet är skalfaktorn inställd på att vara enhet för närvarande och, eftersom universum expanderar, är mindre i det förflutna och större i framtiden., Extrapolera tillbaka i tiden med vissa kosmologiska modeller kommer att ge ett ögonblick när skalfaktorn var noll; vår nuvarande förståelse av kosmologi sätter denna gång på 13.799 ± 0.021 miljarder år sedan. Om universum fortsätter att expandera för alltid, kommer skalfaktorn att närma sig oändligheten i framtiden. I princip finns det ingen anledning att universums expansion måste vara monotonisk och det finns modeller där skalfaktorn någon gång i framtiden minskar med en åtföljande sammandragning av rymden snarare än en expansion.,

andra konceptuella modeller av expansionEdit

expansionen av rymden illustreras ofta med konceptuella modeller som endast visar storleken på utrymmet vid en viss tidpunkt, vilket lämnar dimensionen av tiden implicit.

I” ant on a rubber rope model ” föreställer man sig en myra (idealiserad som pointlike) som kryper med konstant hastighet på ett perfekt elastiskt rep som ständigt sträcker sig., Om vi sträcker repet i enlighet med ΛCDM-skalfaktorn och tänker på myrans hastighet som ljusets hastighet, är denna analogi numeriskt korrekt – myrans position över tiden matchar vägen för den röda linjen på ingjutningsdiagrammet ovan.

i ”gummiplåtmodellen” ersätter man repet med ett platt tvådimensionellt gummiark som expanderar jämnt i alla riktningar. Tillägget av en andra rumslig dimension ökar möjligheten att visa lokala störningar av den rumsliga geometrin genom lokal krökning i arket.,

i” ballongmodellen ” ersätts det plana arket med en sfärisk ballong som blåses upp från en initial storlek på noll (som representerar big bang). En ballong har positiv Gaussisk krökning medan observationer tyder på att det verkliga universum är rumsligt platt, men denna inkonsekvens kan elimineras genom att göra ballongen väldigt stor så att den är lokalt platt till inom observationsgränserna. Denna analogi är potentiellt förvirrande eftersom det felaktigt tyder på att big bang ägde rum i mitten av ballongen., I själva verket punkter utanför ytan av ballongen har ingen betydelse, även om de ockuperades av ballongen vid en tidigare tidpunkt.

i ”russin bröd modell” en föreställer sig en limpa russin bröd expanderar i ugnen. Brödet (rymden) expanderar som helhet, men russinerna (gravitationsbundna föremål) expanderar inte; de växer bara längre bort från varandra.