Спросите Итана: как быстро расширяется пространство?

В одном из самых монументальных открытий 20-го века мы узнали, что Вселенная — это не просто статичный, неизменный фон, а скорее само пространство расширяется с течением времени. Как будто сама ткань Вселенной растягивается так, что далекие объекты отдаляются друг от друга все дальше и дальше. Мы видим это явление во всех направлениях и во всех местах в пространстве, когда смотрим за пределы Местной группы. И все же, спустя почти 100 лет после того, как все это было проработано, это все еще загадочное, противоречащее здравому смыслу явление даже для специалистов в области астрономии и астрофизики.

Вполне естественно задаться вопросом, если Вселенная расширяется, то как быстро расширяется пространство? Вот что хочет знать Даррен Бобли, спрашивая:

"Привет! Не могли бы вы помочь мне понять, насколько быстро пространство расширяется по сравнению со светом — с точки зрения непрофессионала? (Эта идея с мегапарсеком слишком головокружительна для меня.) Это примерно в 2 раза больше скорости света? в 100 раз? Так далее."

Обычно, когда мы думаем о чем-то расширяющемся, мы думаем о скорости. И мы можем сделать это, если захотим, но ответ будет разным для каждого отдельного объекта, на который мы смотрим. Вот почему.

Когда вы берете любой объект, который можно обнаружить с помощью астрономии, вы всегда измеряете некоторую форму энергии — обычно свет — которая либо излучается, либо поглощается рассматриваемым объектом. Объекты, нагретые до определенной температуры, например звезды, будут излучать свет с определенным спектром, охватывающим диапазон длин волн. Объекты, состоящие из электронов, связанных с атомными ядрами, такие как атомы, ионы или молекулы, будут излучать и/или поглощать свет только на определенных длинах волн: длинах волн, которые диктуются определенными квантовыми переходами, которым разрешено происходить.

Поскольку законы физики одинаковы везде во Вселенной, в том числе и для других звезд и галактик, можно предположить, что те самые атомные и молекулярные переходы, которые мы наблюдаем в лабораторных экспериментах здесь, на Земле, также, эквивалентно, проявляются для любого астрономического объекта. мы смотрим. Если там есть водород, вы можете ожидать увидеть те же линии излучения и/или поглощения в спектре удаленного объекта, что и на Земле.

Разумной отправной точкой для проверки этого предположения было бы посмотреть на Солнце, а затем посмотреть на другие звезды (или группы звезд), чтобы увидеть, насколько хорошо оно выдерживает критику.

Когда мы разбиваем свет от нашего Солнца на составляющие его длины волн, мы занимаемся наукой спектроскопии. Мы можем легко увидеть сигнатуры многих различных элементов и можем идентифицировать линии, которые там есть, с определенными переходами в атомах с разным числом протонов в их ядре.

А теперь вот важная вещь, которую вы должны осознать: когда мы смотрим на характеристики поглощения и/или излучения других объектов во Вселенной, они состоят из тех же элементов, из которых состоят наше Солнце и Земля. Атомы, которыми они обладают, поглощают и излучают свет с той же самой физикой, что и атомы, о которых мы знаем, и, следовательно, они излучают и поглощают свет с теми же длинами волн и частотами, что и атомы, с которыми мы взаимодействуем.

Но когда мы наблюдаем свет от других объектов во Вселенной, мы почти никогда не видим точно такие же длины волн и частоты, которые мы видим от света, генерируемого в лаборатории или нашим Солнцем. Вместо этого все спектральные линии, которые мы видим, систематически смещаются относительно друг друга в зависимости от того, на какой объект мы смотрим. Более того, каждая отдельная линия, принадлежащая определенному объекту, будет сдвинута точно на один и тот же коэффициент, когда мы ее рассматриваем.

Есть три основных фактора, которые могут вызвать такой сдвиг, и, в принципе, каждый объект может испытывать все три из них.

• Существует разница в гравитационном потенциале между тем, где свет излучается и где он поглощается. Когда объекты перемещаются глубже в гравитационную «дыру», свет набирает энергию и смещается в сторону более коротких длин волн: синее смещение. Когда объекты взбираются на гравитационный «холм», свет теряет энергию и смещается в сторону более длинных волн: смещается в красную сторону. Это предсказано в общей теории относительности, поскольку кривизна пространства не только говорит материи, как двигаться, но и сообщает свету и всем формам излучения, как двигаться.
• Существует также относительное движение между источником и наблюдателем: то, что мы обычно называем доплеровским сдвигом. Чаще всего мы испытываем это со звуком. Когда к вам приближается излучающее звук транспортное средство — например, полицейская машина, грузовик с мороженым или басовитый энтузиаст, — звук, который вы слышите, становится более высоким. Когда он удаляется от вас, звук становится ниже по высоте.То же самое происходит со светом и со всеми волнами: если источник и наблюдатель движутся навстречу друг другу, свет, который видит наблюдатель, будет смещен в сторону синего, а если они удаляются относительно друг от друга, то свет, который видит наблюдатель, будет быть смещены в красную сторону.

• И, наконец, эффект расширяющейся Вселенной. Когда свет путешествует по Вселенной, каждый отдельный фотон — квант, из которого состоит весь свет, — имеет определенную длину волны, и эта длина волны определяет энергию фотона. Если Вселенная расширяется, длина волны этого света также растягивается, вызывая красное смещение; Точно так же, если Вселенная сожмется (что также допустимо, но не наблюдается), вместо этого сожмется длина волны, что вызовет синее смещение.

Если вы хотите понять, как расширяется Вселенная, то задача перед вами ясна. Вы должны наблюдать за большим набором объектов в разных направлениях и на разных расстояниях и измерять кумулятивное красное (или синее) смещение каждого из них. Затем вы должны нанести на карту Вселенную в меру своих возможностей и использовать эту информацию, чтобы сделать вывод об эффектах как гравитационного красного/синего смещения, так и о том, каковы эффекты движения отдельных объектов по отношению к вам. Все, что осталось, если учесть все остальное, представляет собой последствия расширения Вселенной.

Так чему же мы учимся, когда делаем именно это? Несколько вещей, которые могут вас заинтересовать, в том числе следующие.

• Для близлежащих объектов — в пределах нескольких десятков миллионов световых лет — преобладают эффекты локальных движений. Вы не можете надежно измерить расширение Вселенной, просто глядя на объекты в нашем собственном районе.
• Объекты, гравитационно связанные между собой, включая звезды, звездные системы, звездные скопления, шаровые скопления, отдельные галактики и даже связанные группы и скопления галактик, не испытывают на себе воздействия расширяющейся Вселенной.
• Гравитационное красное и синее смещение, к счастью, являются в значительной степени незначительным эффектом, проявляющимся с величиной, которая повсеместно намного меньше, чем даже 1% от общего измеренного эффекта.
• Но в больших космических масштабах, которые переводятся в объекты, находящиеся на относительно больших расстояниях от нас (сотни миллионов, миллиарды или даже десятки миллиардов световых лет), расширение Вселенной — единственный эффект, который имеет значение.

Это лучший метод для измерения того, как пространство расширяется по мере того, как Вселенная развивается в течение космического времени: смотреть на все эти объекты, разбросанные по Вселенной, игнорировать ближайшие и делать выводы о том, как в среднем расширяется Вселенная.

Еще в 1923 году Эдвин Хаббл измерил расстояние до первой галактики за пределами нашей: Андромеды. В течение следующих нескольких лет он не только измерил расстояние до многих таких галактик, но и объединил их с предыдущими наблюдениями за тем, как свет от этих галактик в целом был смещен либо в красную, либо в синюю сторону. Работая со своими предварительными данными, Жорж Лемэтр опубликовал статью в 1927 году, сделав вывод, что Вселенная расширяется, и впервые измерив скорость расширения. В следующем году Говард Робертсон независимо сделал почти то же самое. Но только когда сам Хаббл вместе со своим помощником Милтоном Хьюмасоном опубликовали свою статью в 1929 году, астрономическое сообщество начало обращать внимание на этот новаторский результат.

Самая важная часть этой истории — не конкретное значение, которое они измерили; самая важная часть — понять, что это значит, что Вселенная расширяется. Это означает, что для любых двух гравитационно несвязанных объектов во Вселенной пространство между ними со временем расширяется. Когда наблюдатель в одном из этих мест смотрит на другое, он видит, что свет, генерируемый в другом, кажется смещенным в красную сторону к тому времени, когда он достигает их глаз.И чем дальше объект, на который они смотрят, тем больше свет кажется смещенным в красную сторону.

Когда мы задаем вопрос: «Как быстро расширяется Вселенная?» мы переводим от одной причины красного смещения к другой. Мы знаем, что расширяющаяся Вселенная вызывает красные смещения; мы знаем, как два объекта, удаляющиеся друг от друга, вызывают красное смещение. Если вы хотите перевести расширение Вселенной в скорость, вот что вам нужно сделать: спросите себя: «Основываясь на красном смещении, которое я измеряю из-за того, что пространство расширяется, насколько быстро, с точки зрения относительной скорости удаления между источником и наблюдателем, должны ли вещи двигаться, чтобы получить такое же значение для красного смещения?»

Ответ, как это ни удивительно, зависит от того, насколько далеко находится этот объект. Вот несколько примеров.

• Для объекта на расстоянии 100 миллионов световых лет мы получаем скорость удаления 2150 км/с.
• Для объекта на расстоянии 1 миллиарда световых лет мы получаем скорость удаления 21 500 км/с.
• Для объекта, находящегося на расстоянии 5 миллиардов световых лет, мы получаем скорость удаления 107 000 км/с.
• Для объекта, находящегося на расстоянии 14 миллиардов световых лет, мы предполагаем скорость удаления 300 000 км/с: почти скорость света.
• А для объекта, удаленного на 32 миллиарда световых лет, что является текущим космическим рекордом для самой далекой галактики, мы получаем скорость удаления 687 000 км/с: более чем в два раза больше скорости света.

Мы можем выполнить это вычисление для любого объекта, расположенного на любом расстоянии, и для любого конкретного расстояния мы получим уникальную скорость удаления.

Вот почему обычно мы не говорим о расширении Вселенной как о скорости. Вместо этого мы говорим об этом как о скорости: скорости на единицу расстояния. На каждые 3,26 миллиона световых лет от объекта его свет смещается в красную сторону примерно на дополнительные 70 км/с. По историческим причинам астрономы редко используют световые годы, а чаще говорят в терминах парсеков, где парсек составляет около 3,26 световых года.Когда вы слышите термин «мегапарсек», сокращенно Мпк, просто переведите его в уме как «примерно три с четвертью миллиона световых лет». Самый распространенный способ выразить расширение Вселенной — это километры в секунду на мегапарсек, или км/с/Мпк.

Сегодня у нас есть несколько различных способов измерения расширения Вселенной, и все они дают результаты, попадающие в относительно узкий диапазон: от 67 до 74 км/с/Мпк. Существует много споров относительно того, находится ли истинное значение на верхнем или нижнем пределе этого диапазона, и есть ли какое-то новое физическое явление, ответственное за то, почему разные методы дают разные, взаимно несовместимые результаты. В настоящее время лучшие ученые мира ищут дополнительные, превосходные данные, чтобы попытаться узнать больше об этой загадке.

Это означает, что если мы сложим все кусочки головоломки, которые у нас есть сегодня, то увидим, что существует определенное расстояние от нас, около 14 миллиардов световых лет, где расширение Вселенной отталкивает объекты со скоростью, эквивалентной скорости света. Ближе, чем это расстояние, объекты удаляются от нас со скоростью, меньшей скорости света; дальше они удаляются быстрее света. На самом деле эти объекты вовсе не движутся по Вселенной с такой скоростью, а расширяется пространство между связанными объектами. Эффект на свет эквивалентен — он растягивается и смещается в красную сторону на одинаковую величину — но физическое явление, вызывающее красное смещение, связано с расширяющейся Вселенной, а не с объектом, уносящимся в пространстве.

Путешествуйте по Вселенной с астрофизиком Итаном Сигелом. Подписчики будут получать информационный бюллетень каждую субботу. Все на борт!

Одним из наиболее интересных аспектов этого является то, что скорость расширения не остается постоянной, а скорее меняется в зависимости от того, насколько плотна Вселенная: по мере расширения Вселенная становится менее плотной, и поэтому скорость расширения со временем падает.Даже при наличии темной энергии некоторые из галактик, которые в настоящее время удаляются от нас со скоростью, превышающей скорость света, на самом деле достижимы для нас, даже если наши путешествия ограничены скоростью света. Галактики, удаленные от нас более чем на 14 миллиардов световых лет, но менее чем на 18 миллиардов световых лет, все еще находятся в пределах нашей досягаемости, если мы покинем их достаточно быстро и будем двигаться достаточно быстро: содержащие примерно столько же галактик, сколько находится в пределах 14 миллиардов световых лет. лет нам. Вселенная не расширяется с определенной скоростью, но для любого объекта, на который вы смотрите, вы можете рассчитать, как быстро он удаляется от нас. Все, что вам нужно измерить, это то, как далеко он сейчас находится.