Et ultra-fjernt udsigt over universet viser galakser, der bevæger sig væk fra os i ekstreme hastigheder. På disse afstande vises galakser mere talrige, mindre, mindre udviklede og for at trække sig tilbage ved store rødskift sammenlignet med dem i nærheden. Billedkredit: NASA, ESA, R. Windhorst og H. Yan.

5 spørgsmål, du var for flov til at stille om det ekspanderende univers

Fra hvad det udvides til, om ting bevæger sig hurtigere end lys, rydder dette nogle af vores største misforståelser.

”Jo tydeligere vi kan fokusere vores opmærksomhed på vidundere og realiteter i universet omkring os, jo mindre smag har vi til ødelæggelse.” -Rachel Carson

Når vi ser ud på det fjerne univers, fortsætter vi med at se galakser overalt, i alle retninger, i millioner og endda milliarder lysår. Med anslåede to billioner galakser, der potentielt kan observeres for menneskeheden, er summen af ​​det, der er derude, større og mere spektakulært, end de fleste af os kan håbe at forestille os. En af de mest forundrende fakta er, at af alle de galakser, vi nogensinde har observeret, adlyder de alle (i gennemsnit) den samme regel: jo længere væk de er fra os, jo hurtigere ser de ud til at bevæge sig væk fra os. Denne opdagelse, der blev gjort af Edwin Hubble og hans samarbejdspartnere tilbage i 1920'erne, førte os til billedet af det ekspanderende univers. Men hvad betyder det, at universet ekspanderer? Videnskab ved det, og nu vil du også!

Jo længere væk vi ser, jo længere tilbage i tiden til et mindre udviklet univers, vi ser. Men kun hvis generel relativitet gælder og styrer et ekspanderende univers. Billedkredit: Wikipedia-bruger Pablo Carlos Budassi.

1.) Hvad udvides universet til? Dette er et af disse spørgsmål, der lyder så rimeligt, fordi alt andet, der udvides, er lavet af stof og eksisterer inden for universets rum og tid. Men universet i sig selv er simpelthen plads og tid og indeholder alt det stof og energi, der er til stede i det. Når vi siger ”Universet ekspanderer”, betyder det, at rummet i sig selv er det, der udvides, hvilket får os til at se de enkelte galakser og klynger af galakser, der alle bevæger sig væk fra hinanden. Den bedste visualisering, jeg nogensinde har set, er at tegne en dejkugle med rosiner i den, bage i en ovn.

Modellen 'rosinbrød' i det ekspanderende univers, hvor relative afstande øges, når pladsen (dejen) udvides. Billedkredit: NASA / WMAP Science Team.

Dejen er stofets rum, rosinerne er de bundne strukturer (som galakser eller grupper / galakser.) bevæger sig hurtigere væk. Kun for universet er der ingen ovn, og der er ingen luft uden for dejen; der er kun dej (plads) og rosiner (materie).

Det er ikke blot, at galakser bevæger sig væk fra os, der forårsager en rødskift, men snarere at rummet mellem os selv og galaksen forskyver lyset på dens rejse fra det fjerne punkt til vores øjne. Billedkredit: Larry McNish fra RASC Calgary Center.

2.) Hvordan ved vi, at det er stoffets rum, der udvides, og ikke kun galakser, der bevæger sig i forskellige hastigheder? Hvis du ser objekter bevæge sig væk fra dig i alle retninger, kan det skyldes, at mellemrummet mellem dig og disse objekter udvides; det er en mulighed. Men det forekommer også rimeligt, at du kunne være i nærheden af ​​en eksplosionscentrum, og mange objekter er bare længere væk og bevæger sig hurtigere i dag, fordi de modtog mere energi i eksplosionen. Hvis denne sidstnævnte ting var sandt, ville der være to beviser, der ville skille sig ud:

  1. Der ville være færre galakser i store afstande og høje hastigheder, da de lettere sprede sig gennem rummet efterhånden som tiden gik.
  2. Rødskift / afstand-forholdet ville adlyde en meget bestemt form i store afstande, der ville være anderledes end tilfældet, hvor det var stoffets rum, der ekspanderede.
Forskellene mellem en kun bevægelsesbaseret forklaring på rødskift / afstande (stiplet linje) og generel relativitet (faste) forudsigelser for afstande i det ekspanderende univers. Definitivt er det kun GR's forudsigelser, der matcher det, vi observerer. Billedkredit: Wikimedia Commons-bruger Redshiftimprove.

Når vi ser på store afstande, finder vi ud af, at der faktisk er en større massefylde af galakser i det fjerne univers, end der er i nærheden. Dette stemmer overens med et billede, hvor rummet udvides, da det at se langt væk er det samme som at se ind i fortiden, hvor mindre ekspansion er sket. Vi finder også ud af, at de fjerne galakser har en rødskift og -afstand, der stemmer overens med rummet, der ekspanderer, og meget ikke med, at galakser simpelthen bevæger sig hurtigt væk fra os. Dette er et spørgsmål, som videnskaben kan besvare på to meget forskellige måder, og begge svar understøtter et ekspanderende univers.

Et plot af den tilsyneladende ekspansionshastighed (y-akse) vs. afstand (x-akse) er i overensstemmelse med et univers, der ekspanderede hurtigere i fortiden, men udvides stadig i dag. Dette er en moderne version af, som strækker sig tusinder af gange længere end Hubbles originale værk. Bemærk det faktum, at punkterne ikke danner en lige linje, hvilket indikerer udvidelseshastighedens ændring over tid. Billedkredit: Ned Wright, baseret på de nyeste data fra Betoule et al. (2014).

3.) Har universet altid ekspanderet i samme takt? Vi kalder det Hubble-konstanten, men det er kun en konstant overalt i rummet, ikke hvert "når" i tide. Universet udvides på dette tidspunkt i en langsommere tempo end nogensinde før. Når vi taler om ekspansionshastigheden, er det en hastighed pr. Enhed: ca. 70 km / s / Mpc i dag. (En "Mpc" er en megaparsec, eller ca. 3.260.000 lysår.) Men ekspansionshastigheden er afhængig af tætheden af ​​alle de forskellige ting i universet, inklusive stof og stråling. Når universet udvides, bliver materien og strålingen inden i det mindre tæt, og når sagen og strålingstætheden falder, gør ekspansionshastigheden også det. Universet ekspanderede hurtigere i fortiden og er blevet langsommere siden den varme Big Bang. Hubble-konstanten er en forkert nummer; det skal kaldes Hubble-parameteren.

Universets fjerntliggende skæbner tilbyder en række muligheder, men hvis mørk energi virkelig er en konstant, som dataene antyder, vil den fortsætte med at følge den røde kurve. Billedkredit: NASA / GSFC.

4.) Vil universet udvide for evigt, eller vil det en dag stoppe eller endda genollapse? I generationer var dette et af de hellige grale spørgsmål om kosmologi og astrofysik, og det kunne kun besvares ved at bestemme både hvor hurtigt universet ekspanderede og hvad alle de forskellige typer (og mængder) af energi til stede i det var. Vi har nu med succes målt, hvor meget normal stof, stråling, neutrinoer, mørk stof og mørk energi der er til stede såvel som universets ekspansionshastighed. Baseret på fysiklovene og hvad der er sket i fortiden, ser det meget ud til, at universet fortsætter med at udvide sig for evigt. Selvom dette ikke er en 100% sikkerhed; hvis noget som mørk energi opfører sig anderledes i fremtiden end hvordan det opfører sig i fortiden og nutiden, er alle vores konklusioner genstand for revision.

5.) Bevæges galakser hurtigere væk end lysets hastighed, og er det ikke forbudt? Fra vores synspunkt udvides rummet mellem os og ethvert fjernt punkt. Jo længere væk der er noget, jo hurtigere ser det ud til at trække sig tilbage fra os. Selv hvis ekspansionshastigheden var lille, ville et objekt langt nok væk til sidst krydse denne tærskel med en endelig hastighed, da en ekspansionshastighed (en hastighed pr. Afstand) ganget med en stor nok afstand vil give dig en hastighed så hurtig som du vil have. Men dette er okay i generel relativitet! Loven om, at intet kan rejse hurtigere end lysets hastighed, gælder kun for et objekts bevægelse gennem rummet, ikke for selve udvidelsen af ​​rummet. I virkeligheden bevæger galakserne sig kun rundt med hastigheder, der er hundreder eller tusinder af km / s, meget lavere end den 300.000 km / s hastighedsgrænse, der er indstillet af lysets hastighed. Det er udvidelsen af ​​universet, der forårsager denne recession og rødskiftet, ikke en ægte galaktisk bevægelse.

I det observerbare univers (gul cirkel) er der cirka 2 billioner galakser. Galakser mere end cirka en tredjedel af vejen til grænsen for det, vi kan observere, kan aldrig nås på grund af universets ekspansion, hvilket kun efterlader 3% af universets volumen åben for menneskelig efterforskning. Billedkredit: Brugere af Wikimedia Commons Azcolvin 429 og Frédéric MICHEL / E. Siegel.

Universet, der ekspanderer, er en nødvendig konsekvens af, at materie og energi udfylder en rumtid, der adlyder lovene om generel relativitet. Så længe der er noget, er der gravitationsattraktion, så enten vinder tyngdekraften, og alt sammenløber igen, eller tyngdekraften taber, og ekspansion vinder ud. Der er intet centrum for udvidelsen, og der er heller ikke noget uden for rummet, som universet udvides til; selve universets stof er det, der gør det ekspanderende, overalt og for enhver tid. Selvom vi forlod Jorden med lysets hastighed i dag, er det kun irriterende, kun 3% af galakserne i det observerbare univers kan nogensinde nås; 97% af dem er allerede uden for vores rammer. Universet kan være et kompliceret sted, men i det mindste ved du nu svarene på fem af dets mest almindeligt misforståede spørgsmål!

Starts With A Bang er nu på Forbes og genudgivet på Medium takket være vores Patreon-tilhængere. Ethan har skrevet to bøger, Beyond The Galaxy, og Treknology: The Science of Star Trek fra Tricorders til Warp Drive.