Sterrekunde

Kosmologiese rooi verskuiwing - Hoe weet ons dat dit nie veroorsaak word deur die waarneming van die tyd nie?

Kosmologiese rooi verskuiwing - Hoe weet ons dat dit nie veroorsaak word deur die waarneming van die tyd nie?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

In plaas daarvan dat kosmologiese rooiverskuiwing veroorsaak word deur die metrieke uitbreiding van die ruimte, waarom kan kosmologiese rooiverskuiwing nie veroorsaak word deur ons perspektief vinniger in die tyd te beweeg nie? Anders gesê: as die waarnemer vinniger as die emissiebron deur die tyd beweeg, kan hierdie tydsverruiming nie 'n verklaring vir kosmologiese rooi verskuiwing wees nie? In plaas van die metrieke uitbreiding van die ruimte, waarom nie 'kosmiese tydverruiming' nie?

Sover ek weet is daar geen fisiese meganisme in die fisika om te verduidelik hoe die metrieke uitbreiding rooi verskuiwing kan veroorsaak nie. Dit blyk dat ons aanneem dat metrieke uitbreiding rooi verskuiwing kan veroorsaak sonder enige onderliggende fisika of toetsing.

Alternatiewelik word rooi verskuiwing veroorsaak deur tydverwyding goed getoets, bewys en verstaan. Dit is iets waarmee ons hier op aarde kan speel.

Sou die aanname dat kosmologiese rooi verskuiwing nie veroorsaak word deur die waarnemer vinniger in die tyd beweeg as wat die emissiebron in die verlede meer sinvol is as die metrieke uitbreiding van die ruimte wat kosmologiese rooiverskuiwing veroorsaak nie?

Natuurlik moet die Doppler- en gravitasie-effekte in berekening gebring word as u rooi verskuiwing van verre bronne meet. Dit is nie waaroor ek vra nie.

Edit: Ek het waarskynlik wiskundige hulp nodig, of 'n aanwyser na 'n beter voorbeeld om mee te speel.

Met 'n Hubble konstante van71.9, brei 'n ligjaar uit oor $ 7.3483 times10 ^ {- 11} \% $ per jaar. Die Pinwheel Galaxy is 20,87 miljoen ligjare weg. As ek die Pinwheel Galaxy voortdurend verskuif deur die uitbreiding van die ruimte, kry ek 'n rooi verskuiwing van .00153 met behulp van hierdie vergelyking:

$ z = 1 - e ^ {(7.3483 times10 ^ {- 11}) (2.087 times10 ^ {7})} $

Die sterwielstelsel het 'n gemete rooiverskuiwing van .000804.

Is daar 'n vergelyking wat 'n beter resultaat gee sonder towerwaardes vir $ z $ of 'n werklike wêreldvoorbeeld met bekende waardes wat werk?


Die rede waarom ons dink dat die kosmologiese rooi verskuiwing veroorsaak word deur die metrieke uitbreiding van die ruimte, is 1) daar is 'n bekende, fisiese meganisme wat hierdie effek kan veroorsaak, en 2) dat hierdie meganisme 'n voorspelling is van 'n goed gevestigde en deeglik beproefde teorie, naamlik die algemene relatiwiteitsteorie.

Die betrokke fisiese meganisme kan gerealiseer word deur die voortplanting van 'n ligstraal wat langs 'n nul geodetika beweeg, te oorweeg in die Friedmann-Robertson-Walker-maatstaf wat die uitbreidende ruimte beskryf (sien bv. Watson 2000 vir 'n afleiding). Dit is 'n wiskundige resultaat, maar dit is gebaseer op fisika en word bevestig deur eksperimentering.

Aan die ander kant is daar geen meganisme bekend wat die tyd sal laat versnel namate die heelal ontwikkel nie. Boonop sou fotone net minder gereeld in ons verwysingsraamwerk aankom (in vergelyking met fotone wat van 'n plaaslike voorwerp af kom), maar dit sou nie veroorsaak dat die individuele fotone minder energie het nie (tensy hulle op die een of ander manier bly skommel op hul oorspronklike frekwensie, selfs as u 'n verwysingsraamwerk betree waar die tyd vinniger verloop).

Maar in 'n sekere sin het u gelyk dat ons tyd vinniger verloop as die tyd van verre voorwerpe: in ons verwysingsraamwerk is hul tyd met 'n faktor stadiger $ (1 + z) $, waar $ z $ is die waargenome rooi verskuiwing. Byvoorbeeld, die helderheid van 'n supernova waargeneem by $ z = 1 $ neem twee keer so stadig af as 'n 'plaaslike', $ z = 0 $ supernova. Hierdie effek is bekend en "bykomend tot die rooi verskuiwing, in die sin dat die vloed wat op die aarde ontvang word, verdun word deur 'n $ (1 = z) $ faktor uit die rooi verskuiwing en deur a $ (1 = z) $ faktore as gevolg van fotone wat teen 'n stadiger tempo kom.


Dit pla my al eeue, so ek plaas hier in die hoop dat iemand kan antwoord.

As die heelal nie uitgebrei het nie en as die tyd nie konstant was nie, maar in plaas daarvan versnel, waarom sou die waargenome kosmologiese rooi verskuiwing nie heeltemal verklaar word nie? Golflengtes van lig wat lank gelede vrygestel is, sal langer vertoon aangesien sekondes korter is as toe die lig begin het.

En ek dink geen oerknal of donker saak nie.

Jammer om te sê, maar dit is onsinnig. U kan nie tyd & quotquot up & quottyd nie aangesien tyd u verwys.

Edit: Dit is ook duidelik nie 'n A-vlakdraad nie. Ek gaan dit aan B hermerk.

Ek is bly dat ek & quot; gemerk & quot is, aangesien ek geen fisikus is nie.

Maar dit is nie onsinnig nie. Ek vra dit presies. Miskien is die & quot konstante & quot verwysing van tyd nie eintlik die ding wat verander nie. U gee geen rede waarom dit nie so kan wees nie.

Het u die PF-reëls gelees toe u aangesluit het? Dit lui spesifiek dat ons nie hier is om persoonlike teorieë te ontwikkel nie.

(En teoretisering is meer as om wetenskaplike klinkende woorde in 'n skynbaar ewekansige volgorde saam te snoer)


Onderwerp: Hoe verander 'n kosmologiese rooi verskuiwing 'n warm swart liggaam in 'n koue?

Hallo ouens! Dink jy kan my dalk help:]

Dit wil dus voorkom asof ons warmer (blouer) fotone moet vervang deur koeler (rooier) foto's of die piek van die swartliggaamkurwe na links moet skuif. Hoe presies gebeur dit? Is dit as gevolg van die & quotstretching & quot wat plaasvind as gevolg van die Doppler-effek?

ook lyk dit asof ons die totale intensiteit op elke energievlak, insluitend mikrogolfoond, moet verminder of die swartliggaamkurwe na onder moet sleep. Hoe werk dit? Het dit iets te doen met algemene relatiwiteit en die uitbreiding van die ruimtetyd?

Eerstens word die uitstralende swart liggaam nie geraak nie. Slegs die fotone word beïnvloed nadat dit uitgestraal is.

Daar is drie verskillende meganismes wat tot rooi verskuiwings lei:

1. Die Doppler-effek wat verband hou met die relatiewe beweging van twee liggame - een is die uitstralende liggaam en die tweede is die waarnemer. Dit word maklik as 'n plaaslike effek beskou. Die Doppler-effek kan relatief of nie-relativisties wees, afhangende van die relatiewe snelheid van die twee liggame.

2. Die Kosmologiese Rooiverskuiwing word suiwer geassosieer met die metrieke uitbreiding van die ruimte self, soos beskryf deur Algemene Relatiwiteit. Dit is heeltemal anders as die Doppler-effek.

3. Die Gravitasie-rooiverskuiwing word geassosieer met tyddilatasie, aangesien fotone voortplant binne 'n gravitasie potensiële energieput. Dit word weer beskryf deur Algemene Relatiwiteit.

Wikipedia het 'n goeie skrywe oor rooi verskuiwing. Dit bespreek die verskillende meganismes en bied die vergelykings (en selfs sommige afleidings) vir die verskillende meganismes aan, asook addisionele inligtingsbronne.


Vingers van God

In rooi verskuiwing-ruimte is sterrestelsels waarskynlik langwerpig na die waarnemer op die aarde. Maar in elke rigting in die lug sien jy sterrestelsels wat na die aarde wys. Beteken dit dus dat ons in die middel van die heelal is? Geen!

Alhoewel dit nie definitief bewys kan word nie, ondersteun die bewyse die idee dat dit wat ons in die rooi skuifruimte sien, nie dieselfde is as in die werklike ruimte nie. En in die werklike ruimte, as ons eers verstaan ​​wat die bronne van sterrestelsels rooi verskuiwings is, sien ons hierdie effek glad nie. Daar moet egter bygevoeg word dat daar geen onafhanklike manier is om dit te verifieer nie, as rooi verskuiwings die enigste metode is om die afstand na die groeplede te bepaal.

Daar is 'n aantal moontlike bydraes tot die waargenome rooi verskuiwing van 'n sterrestelsel en die twee bydraes wat in verband met die FOG-effek oorweeg word, is kosmologiese rooi verskuiwing & # 8211 word geglo as gevolg van die uitbreiding van die Heelal self (ruimte-uitbreiding) & # 8211 en Doppler-rooi verskuiwing & # 8211 as gevolg van die beweging van die bronstelsel deur die ruimte, maar binne sy groep. Doppler-beweging word verwag vir alle lede van 'n sterrestelselgroep. Daarbenewens word verwag dat as die groep 'n enkele gravitasiegebonde virialiseerde groep is, 11 dat die middelpunt van massabeweging van die groep sal wees en dit is te danke aan die kosmologiese uitbreiding van die Heelal. Al is kosmologiese uitbreiding egter nie geldig nie, maar 'n eenvoudige afstandsreël van die Hubble-wet is (oorsaak onbekend), is die volgende ontleding steeds van toepassing.

Figuur 1: Gesimuleerde sferiese sterrestelselgroep wat 1000 sterrestelsels bevat met 'n rooi verskuiwing van z = 0,05, gekarteer in reghoekige koördinate (x, y). Dit is 'n regte ruimtekaart met eenhede van c / H0. Met eenheidsverhouding word die groep gesien as 'n sfeer, soos in die werklike ruimte. Van die oorsprong af is elke sterrestelsel rooi verskuiwing Z = sqrt (x ^ 2 + y ^ 2).

In Fig. 1 het ek 'n hipotetiese sterrestelselgroep in die werklike ruimte geteken, maar eenhede van rooi verskuiwing gebruik. Met ander woorde, skakel na werklike ruimte-afstand vermenigvuldig elke as met cH0 -1 . Die pyl dui die waarnemer aan by die oorsprong van die koördinate. Ek het 'n baie groot bolvormige groep van 1000 sterrestelsels, wat deur swart kolle voorgestel word, ongeveer 42 gesimuleer Mpc in deursnee as ons die skaallengte hierbo aanvaar. Die sentrale sterrestelsel in die groep is op z = 0,05 of ongeveer 207 Mpc. Dit beteken dat, in 'n uitbreidende heelal, die middelpunt van massabeweging die tros van 5% van die ligspoed van ons af wegbeweeg. Dit word weergegee in Fig. 2a.

Figuur 2b en 2c illustreer dan wat gebeur as ons elke sterrestelsel in die groep 'n Doppler-rooi verskuiwing gee as gevolg van sy wentelsnelheid, maar met ewekansige trajekte rondom hul onderlinge massamiddelpunt. Die beste manier om die effek te modelleer, is deur 'n ewekansige rooiverskuiwingskomponent by die individuele rooi verskuiwings van hierdie sterrestelsels te voeg, wat die effek het dat 'n ewekansige radiale snelheidskomponent ingestel word. Aangesien ons slegs die radiale komponent van enige Dopplersnelheid kan sien wat voortspruit uit werklike beweging binne die sterrestelsel, sal hierdie addisionele komponent óf positief wees - 'n rooi skuif (beweging weg van die waarnemer) óf negatief - 'n blueshift (beweging na die waarnemer). As die beweging dwars op die waarnemingslyn is, is die addisionele komponent nul.

Figuur 2: a) Fig. 1 weergegee, maar die oorsprong ingesluit. b) Kaart van dieselfde sterrestelsel as Fig. 1, maar met toevoeging van 'n wentelsnelheid van 1 500 km / s tot samestellende sterrestelsels. c) Kaart van dieselfde sterrestelsel as Fig. 1, maar met die toevoeging van 'n wentelsnelheid van 15.000 km / s tot samestellende sterrestelsels. Van die oorsprong af is elke sterrestelsel rooi verskuiwing Z = sqrt (x ^ 2 + y ^ 2).

Fig. 2b en 2c is effektief rooiverskuiwingskaarte, maar word in reghoekige koördinate met rooi verskuiwing geteken. Omdat die Dopplersnelhede bydra tot die totale rooi verskuiwing van die bronstelsel, maar nie tot die kosmologiese afstand nie, is dit nuttig om hierdie figure as 'n rooi skuifruimte te beskou. Ons sal verkeerdelik aflei dat dit 'n ware ruimte is as daar nie vir die addisionele komponent gekorrigeer is nie.

In die geval van Fig. 2b het ek 'n wentelsnelheid van 1500 bygevoeg km / s, wat baie groot is vir 'n groep. Hulle het gewoonlik x-straaltemperature van 4 tot 7 keV of verspreiding van 12 snelhede van ongeveer 700 km / s. In die rooi skuifruimte kan u sien dat hierdie toevoeging van 'n Doppler-komponent die kaart verdraai - verleng die groep soos 'n vinger wat na die waarnemer op die oorsprong wys. In die werklike ruimte sal die tros steeds lyk soos in Fig. 1. Slegs die sterrestelsels het beweging rondom hul massamiddelpunt.

Om dit in Figuur 2c regtig te oordryf, het ek 'n wentelsnelheid van 15.000 bygevoeg km / s, wat meer tipies is vir kosmologiese uitbreidingsrooi verskuiwings (uitgedruk in resessiesnelhede) as eienaardige Doppler-beweging binne trosse. In hierdie geval wys die FOG terug en voldoen aan die oorsprong. Natuurlik is dit doelbewus oordrewe vir effek. Dit is wat in die rooi skuifruimte gesien word, maar as die interpretasie korrek is, is alles wat in die werklike ruimte gesien kan word, soos getoon in Fig. 1 en 2a.


Wanopvattings: Kosmologiese rooiverskuiwing

My onlangse draad oor die kosmologiese rooi verskuiwing het blykbaar meer algemene insig in hierdie onderwerp aangeneem as wat die geval is. Die doel van hierdie draad is dus om te help om gewilde misvattings oor die kosmologiese rooi verskuiwing uit die weg te ruim en hopelik 'n kragtige bespreking aan te spoor. Hierdie draad gaan NIE oor die vergelyking van die 'uitbreidende ruimte' en 'kinematiese' paradigmas nie, en ook nie oor die vergelyking van Newtonse swaartekrag met GR nie.

Die uitgangspunt is natuurlik dat die kosmologiese rooi verskuiwing eweredig is aan die verandering in die kosmiese skaalfaktor a (t) tussen die tyd van emissie en die tyd van ontvangs:

Onthou dat die kosmologiese rooiverskuiwing, benewens die golflengte van fotone met hierdie faktor, ook die regte afstandsverskeiding tussen fotone met dieselfde faktor verhoog.

Die eerste wydverspreide wanopvatting is dat 'uitbreidende ruimte' - wat regtig 'n 'uitbreidende hipersfeer' van meetkunde beteken - optree soos 'n rekbare rubbervel - as 'n krag - wat veroorsaak dat fotone en fotongolfkante fisiek skei. Hierdie idee veronderstel die 'uitbreidende hipersfeer'-paradigma vir die uitbreiding van die heelal deur die FRW-maatstaf toe te pas.

Dit is egter goed gevestig in eweknie-beoordeelde ontledings die afgelope jare dat as Lambda = 0, 'n 'uitbreidende hipersfeer'-maatstaf nie as 'n krag- of rubbervel dien nie. 'N Uitbreidende hipersfeer-maatstaf is nie in staat om 'n fisiese skeiding te motiveer op die regte afstand tussen fotone, golfkruine of enige ander voorwerpe nie. Die uitbreidende hipersfeer sal veroorsaak dat deeltjies in die kus aanhou skei slegs as hulle begin met die regte snelheid weg van mekaar in die aanvanklike toestande. Die werking van die hipersfeer is soos 'n vliegwiel se momentum (dink 1ste afgeleide van afstand) eerder as 'n versneller (2de afgeleide van afstand). Hierdie analise word intuïtief bevestig deur die https://www.physicsforums.com/showthread.php?t=315550&highlight=misconceptions", waaroor baie geskryf is.

Beskou die scenario waar die 'waarnemer' by die koördinaat is, en nie-relativistiese deeltjies word met konstante tydsintervalle dt van die verre 'emitter' afgevuur. Oor 'n kort tydperk, die Hubble-koers Ht sal in wese konstant bly. In 'n vereenvoudigde scenario sonder gravitasie-effekte, op die oomblik dat elke deeltjie afgevuur is, sal die regte snelheid nul wees ten opsigte van die voorheen afgevuurde deeltjie, dv = 0. Met hierdie as die beginvoorwaarde sal die 'uitbreidende hipersfeer' nooit 'n effek hê op die regte afstand tussen die deeltjies nie, dD = Htdt = konstant.

Maak die scenario dan meer realisties deur gravitasie-effekte by te voeg. Vanuit die perspektief van die waarnemer is daar 'n sfeer van kosmiese materie gerig op die waarnemer met sy radius op die regte afstand van 'n gegewe 'inkomende' deeltjie. Birkhoff se stelling stel ons in staat om alle aangeleenthede buite die sfeer te verontagsaam. Aangesien die digtheid van die kosmiese materie homogeen geag word, sal 'n groter sfeer 'n relatief groter swaartekragversnelling op sy oppervlak uitoefen as 'n kleiner sfeer. Met inagneming van 'n string ewe gespasieerde deeltjies wat radiaal na die waarnemer beweeg, sal die looddeeltjies te alle tye onderhewig wees aan minder swaartekragversnelling as die stertdeeltjies. Daarom sal die snelheid van die stertdeeltjies mettertyd toeneem in vergelyking met die looddeeltjies, en die deeltjiesnaar sal in die lengte saamdruk. Dus, in teenstelling met wat die metafoor van 'rubberplaat' voorstel, sal die regte afstandsskeiding tussen deeltjies eintlik afneem eerder as toeneem, ondanks die effek van die 'uitbreidende hipersfeer' op die agtergrondmeetkunde.

U kan sê maar wag, die looddeeltjie het 'n periode van swaartekragversnelling beleef voordat die tweede deeltjie afgevuur is, dus gee dit nie 'n voorsprong nie? Soos dit blyk, is die antwoord nee, want die resessiekoers van Hubble bly nie konstant nie. Dieselfde sfeer van kosmiese materie veroorsaak die Hubble-snelheid (H * D) naby die emitter om in wese dieselfde tempo te vertraag as wat die loodfoton versnel. Die netto effek is dat die tweede deeltjie op die oomblik dat dit afgevuur word, dieselfde regte snelheid het as die waarnemer as die eerste deeltjie. (Die tweede deeltjie het, na afvuur, eintlik 'n klein nettosnelheid teenoor die eerste deeltjie, aangesien die swaartekragsfeer wat op die eerste deeltjie inwerk, effens kleiner was as die sfeer wat op die Hubble-snelheid van die emittor inwerk. Dit druk die fotonstring net verder saam. )

U kan ook wonder waarom die sfeer van kosmiese materie op die uitstoot veroorsaak nie dat die bewegende deeltjies gravitasieversnelling ervaar nie weg van die waarnemer. In sekere sin kom dit wel voor, maar terselfdertyd ervaar die emittor selfs groter versnelling na die waarnemer as wat die deeltjies doen (omdat die materie sfeer groter is). Hierdie effekte verreken mekaar, en die versnelling van die deeltjies na die emitter het geen netto effek op hul versnelling of snelheid teenoor die waarnemer nie. Dit lyk miskien verwarrend, maar dit is nuttig om te onthou dat die kosmiese swaartekrag, as ons aanneem dat 'n perfekte homogeniteit is, alles laat versnel in die rigting van alles, en nooit iets laat versnel nie.

Die hele bespreking hierbo het gehandel oor nie-relativistiese deeltjies. Presies dieselfde effek is van toepassing op relativistiese fotone, met dieselfde gevolge. Daarbenewens veroorsaak die swaartekragversnelling 'n swaartekrag-bluesverskuiwing in die golflengte van die fotone.

Fotone het egter een eienskap wat nie-relativistiese deeltjies nie het nie: fotone moet altyd deur elke plaaslike raam beweeg teen presies c. Hierdie unieke eienskap veroorsaak dat fotone koördinasie van snelheidsversnelling teenoor die waarnemer oor hul wêreldlyne ervaar, terwyl hulle die Hubble-snelheidsgradiënt styg. Hierdie koördinaatversnelling het 'n verlies aan terugtrekking tot gevolg eienaardig momentum, en bykomende rooi verskuiwing, soos gesien in die raam van die waarnemer. U kan daaroor lees in my draad oor die meganika van die kosmologiese rooi verskuiwing.

'N Ander wanopvatting wat wyd versprei word, is dat die kosmologiese rooi verskuiwing bereken kan word deur die SR-rooi verskuiwings wat oor 'n baie groot aantal oneindige plaaslike rame langs die foton se wêreldlyn is, te integreer (saam te vermenigvuldig). Vermoedelik, hoewel dit gewoonlik nie eksplisiet weergegee word nie, word elke plaaslike SR-rooi verskuiwing bereken met behulp van die verander in resessiesnelheid (relatief tot die waarnemer) by elke plaaslike raamkruising.

Enigiemand met 'n kosmiese sakrekenaar en 'n sigblad kan hulself oortuig dat hierdie wiskunde nie 'n SR-rooi verskuiwing genereer wat naby die uitbreiding van die skaalfaktor is nie. In my eie relatiewe kru sigblad met 70 integrasie-intervalle van z = 127, is die berekende SR-rooiverskuiwing meer as 400 000 keer groter as die regte antwoord, 128. Dit behoort nie verbasend te wees nie, want die resessiesnelheid is ver bo & GT c vir die meeste die wêreldlyn, en die geometriese gemiddelde van die resessiesnelheid is & gt c. Namate die snelheid c nader, word die SR-rooi verskuiwing oneindig.

Daar is nog 'n rede om hierdie benadering te verwerp. Soos in my ander berig genoem, is die tydsgedeelte van die FRW-maatstaf uiteraard lineêr, dus kan daar glad nie tydverspreiding plaasvind tussen fundamentele comovers nie, ongeag die afstand. Hulle het almal 'n algemene kosmologiese tyd. Aangesien SR-tydverspreiding 'n inherente komponent van die SR-rooiverskuiwing is, is dit onmoontlik vir die SR-rooiverskuiwingsformule om tussen twee plaaslike rame toe te pas as geen tydverwyding tussen die rame toegelaat word nie.

Hopelik kan hierdie twee wanopvattings uit ons kosmologiese dialoog verwyder word, maar laat my weet as u saamstem of nie!


  1. Daar is net een tipe rooi verskuiwing, maar dit kan veroorsaak word deur 'n paar verskillende verskynsels (doppler-effek, swaartekrag, ens.) Doppler-rooi verskuiwing word veroorsaak deur die emittor wat relatief tot die waarnemer beweeg. Gravitasie-rooi verskuiwing word veroorsaak deur tyddilatasie in 'n swaartekragput, wat die golflengte verander.
  2. Rooiverskuiwing is 'n maatstaf vir verandering in golflengte. z = 0,9 beteken dat die liggolf wat ons sien, 1,9x so lank is as die golf wat by die bron uitgestraal is.

Daar is in wese net een soort rooi verskuiwing - die spesiale-relativistiese Doppler-verskuiwing, wat behoorlik aangepas is vir die reëls van algemene relatiwiteit. In geboë ruimtetyd is daar geen algemene idee van relatiewe snelhede nie, en moet ons die snelheidsvektor parallel aan die waarnemer langs die ligweg vervoer.

Benewens hierdie abstrakte begrip van rooi verskuiwing, bestaan ​​daar in spesiale omstandighede meer tasbare interpretasies.

In die besonder is daar swaartekrag-rooi verskuiwing (verlies aan energie as u uit 'n swaartekragput klim) en kosmologiese rooi verskuiwing (toename in golflengte as gevolg van Hubble-uitbreiding).

Die kosmologiese rooi verskuiwing kan gebruik word as 'n maatstaf vir afstand en tyd (die lig van sterrestelsels wat ons nou waarneem, is ver en lank gelede uitgestraal) na kalibrasie teen die uitbreidingstempo.


Kosmologiese rooibeweging in FRW-koördinate - Energiebesparing en tydverdeling

Ek wil energiebesparing en tydverwyding bespreek in verhouding tot die kosmologiese rooi verskuiwing. Omdat die elemente van die rooi verskuiwing koördinaatspesifiek is, fokus ek net op die FRW-maatstaf met behulp van behoorlike afstandskoördinate (nie koördinate wat kom nie).

Soos uiteengesit in Tamara Davis se voorbladartikel in die Julie-uitgawe van Scientific American en deur Bunn & amp. Hogg in 'n referaat waarna sy verwys, kan die kosmologiese rooi verskuiwing in FRW gekoördineer word as fotone wat Doppler-verskuiwings langs hul trajek ervaar. Hierdie interpretasie veronderstel dat komende sterrestelsels deur die ruimte beweeg, en nie uitmekaar gesleep word deur die uitbreiding van die ruimte self nie.

In Minkowski-koördinate ontstaan ​​Doppler-verskuiwing van 'n enkele snelheid-verskil tussen die emitter en die waarnemer. Maar in FRW-koördinate vind Doppler-verskuiwing plaas in baie klein inkremente langs die baan. In verhouding tot die verwysingsraamwerk van die emittor, word elke klein segment van 'n foton se wêreldlyn gekenmerk deur 'n hoër behoorlike resessiesnelheid as die vorige segment wat die foton deurgegaan het. Hierdie resessiesnelheidsdifferensiaal is 'n kenmerk van die wet van Hubble: behoorlike resessiesnelheid neem toe in direkte verhouding tot die regte afstand van die emittor. Die Hubble-snelheid in elke segment is HD, waar H is die huidige Hubble-koers en D is die regte afstand.

Die foton is beperk om altyd 'n plaaslike eienaardige snelheid van presies te handhaaf c. Die regte snelheid ten opsigte van die emitter begin dus eenvoudig soos: V = c, maar word daarna geleidelik versterk deur die toenemende Hubble-snelhede waardeur dit gaan: V = c + HD (waar V is die regte snelheid in verhouding tot die emitter). Omdat ons FRW-koördinate gebruik, is daar geen probleem met die oorskryding van die regte snelheid nie c, net soos die Hubble-snelheid self kan oorskry c.

Die Doppler-verskuiwing vind plaas omdat die aankomstyd tussen elke opeenvolgende golfwind effens vertraag word as die lig oorskakel na 'n segment van die wêreldlyn wat 'n vinniger Hubble-resessiesnelheid het as die vorige segment. In verhouding tot enige gegewe verwysingsraamwerk, rek die liggolwe geleidelik uit terwyl hulle beweeg, omdat 'n vroeëre golfkam altyd effens verder van die emitter af is as 'n daaropvolgende golfkam, en daarom beperk word om 'n hoër regte snelheid weg van die emitter te hê as wat die daaropvolgende golfwapen op elke oomblik in die tyd doen. Die regte afstand tussen twee golfgolwe neem dus geleidelik toe as 'n funksie van die regte afstand van die emitter (en in mindere mate ook as 'n funksie van die steeds veranderende Hubble-tempo). Dit is die rede waarom elke toename in rooi verskuiwing onmiddellik onderweg realiseer, eerder as om dit eers eers te bereik by aankoms by die waarnemer, al word die foton nie waargeneem in die tussensegmente waardeur dit gaan nie. Die hoeveelheid rooi verskuiwing sal baie anders wees as dit bereken word as 'n enkele end-tot-einde-gebeurtenis in plaas van as 'n opeenhoping van progressiewe inkremente.

Ek wil graag bespreek hoe die rooiverskuiwing energie bespaar. Die Davis-artikel wys daarop dat die plaaslike gemete energie van 'n foton geleidelik verval namate dit inkrementeel rooi skuif terwyl dit van raam na raam langs sy trajek beweeg. Maar sy kom tot die gevolgtrekking dat, soos alle Doppler-verskuiwings, die skynbare verlies aan energie bloot 'n verandering in perspektief weerspieël, dit wil sê 'n verandering in die verwysingsraamwerk, eerder as 'n skending van energiebesparing. Die heelal 'lek dus nie energie' as gevolg van rooi verskuiwing nie.

Dit is misleidend om slegs op losstaande plaaslike energiemetings te fokus. Wanneer die emittor en waarnemer relatief tot mekaar in beweging is, is energiebesparing slegs betekenisvol as elke emitter-waarnemerpaar in isolasie beskou word, en dan word die resultate vir die heelal as geheel saamgevat. Energie word streng bewaar as 'n mens die Doppler-snelheidsdifferensiale langs die foton se wêreldlyn ten volle in ag neem.

Kosmologiese Doppler-verskuiwings kan beskou word as momentumverval wat vereis word deur energiebesparing. Die momentum van 'n foton verval as dit rooi verskuif, in verhouding tot die verval in sy frekwensie.

Soos ek beskryf, kry die foton behoorlike snelheid in verhouding tot die emitter langs sy baan. 'N Toename in behoorlike snelheid is nie 'n gratis middagete vir die foton om te verhoed dat dit energie inwin ten opsigte van die emittor se verwysingsraamwerk nie; die momentum daarvan moet in dieselfde verhouding verval as wat die regte snelheid toeneem. Dit is presies wat gebeur. Behoorlike snelheid neem toe in verhouding tot die uitbreiding van die kosmiese skaalfaktor a, terwyl momentum deur die omgekeerde verhouding verval, 1 / a.

Vermenigvuldig die grootte van die momentum op elke plek langs die baan van die foton bl en behoorlike snelheid V lewer altyd 'n konstante op. Ek dink dat die konstante die energiebesparing van die foton weer in verband bring met die verwysingsraamwerk van die emitter. Fotonenergie word normaalweg bereken as rekenaar. Die foton se regte snelheid is c op die oomblik van emissie, maar daarna, aangesien dit die regte snelheid kry, die vergelyking rekenaar bereken slegs die plaaslike gemete energie. Om die energie weer in verband te bring met die raam van die emitter, moet die momentum vermenigvuldig word met die regte snelheid V eerder as plaaslike snelheid c: E = pV.

Doppler-skuifvergelyking en tydverwyding

Wiskundig word die inkrementele Doppler-verskuiwings vermenigvuldig om die totale opgehoopte rooiverskuiwing te bereken. Die vergelyking hiervoor is die vermenigvuldigende reeks (1 + Ht1dDt1) (1 + Ht2dDt2). (1 + Ht0dDt0). Hier dD is die verandering in die regte afstand vanaf die emitter wat binne elke klein segment van die wêreldlyn plaasvind, en t0 is die tyd van waarneming. So HtdD bereken eenvoudig die Hubble-resessiesnelheidsdifferensiaal, en dus die hoeveelheid Doppler-verskuiwing, wat die foton ervaar wanneer dit een segment kruis.

Let daarop dat vir elke segment, dD = dt as eenhede van c = 1 word gebruik vir tyd en afstand. Htdt bereken hoeveel die skaalfaktor van die heelal uitgebrei het gedurende die tydsduur van een segment van die foton se reis. Hierdie word ook vermenigvuldig saamgevoeg om die totale uitbreiding te bereken. Die feit dat Htdt = HtdD toon onomwonde dat die kinematiese Doppler-oplossing is presies gelyk aan die tradisionele kosmologiese rooiverskuiwingsformule waardeur die rooi verskuiwing gelyk is aan die proporsionele hoeveelheid waarmee die kosmiese skaalfaktor tydens die foton se reis uitgebrei het. Geen waarnemings of wiskunde bied dus die basis om die kinematiese paradigma of die uitbreidende ruimteparadigma vir die uitbreiding van die heelal te verkies nie.

Dit is baie interessant dat die kosmologiese Doppler-skuifformule in FRW-koördinate dieselfde vorm het as die klassieke (nie-relativistiese) Doppler-skuifformule vir 'n bewegende emitter en stilstaande waarnemer: 1 + V / c. Dit wys dat die kosmologiese Doppler-skuif, bereken in FRW-koördinate, geen element van SR-tydverwyding insluit nie. Dit is vanweë 'n kenmerk wat uniek is aan die FRW-maatstaf - daar vind geen tydverwyding plaas tussen komovers nie, ondanks hul onbeperkte resessiesnelhede relatief tot mekaar. Die horlosies van alle comovers loop teen dieselfde tempo en teken dieselfde verstreke tyd sedert die oerknal aan.

Oorweeg die leë Milne-model om hierdie punt te illustreer. In daardie geval word SR Minkowski-koördinate omgeskakel na FRW-koördinate deur 'n Lorentz-lengte-uitbreidingsgamma-faktor 1 / [tex] gamma [/ tex] toe te pas (sien Peacock p. 88), wat die SR-tyddilatasie-gammafaktor [tex] verreken. gamma [/ tex] vir comovers (maar nie vir eienaardige snelhede nie). In vergelyking met die SR-snelheid in Minkowski-koördinate, word die GR-snelheid in FRW-koördinate verhoog met die faktor arctanh:

Neem ook in ag dat in FRW-koördinate Hubble-komessiesnelhede altyd direk bymekaargetel word sonder om die SR-formule te gebruik vir die optelling van snelhede. Die SR-formule sal natuurlik nie werk nie, want Hubble-snelhede kan oorskry c.

Ek wil graag hierdie punt bespreek. U mag dink dat 'n Doppler-vergelyking wat nie die effekte van SR insluit nie, gebrekkig is, maar oorweeg of die logika spesifiek van toepassing is op comovers in FRW-koördinate. U dink miskien dat hierdie vergelyking gelykstaande is aan die SR Doppler-verskuiwing, maar dat die tydverwydingselement uitgeskakel word weens die gebruik van FRW-koördinate. Die element van SR-tyddilatasie is die enigste verskil tussen die klassieke en SR Doppler-skofte.

Ek moet beklemtoon dat as die lengtes van die segment na nul verminder word, die SR-tydverwydingselement in elk geval nul is. As 'n praktiese aangeleentheid kan die verskil tussen die insluiting en weglating van SR-tydverwyding uit die vergelyking verdwynend klein gemaak word. Dit is egter 'n interessante teoretiese vraag.

En ter vergelyking, as Schwarzschild-koördinate in plaas van FRW gebruik word, bevat die rooiverskuiwingsvergelyking elemente van beide SR en gravitasietydverwyding, wat nie direk in die FRW-weergawe van die rooiverskuiwing verskyn nie.


Rooi verskuiwing: waarom speel afstand tot CTA?

Slegs deur die afstand van die voorwerpe wat ons waarneem, te ken, kan ons die fisiese aard daarvan begryp. In 1923 het Edwin Hubble getoon dat sommige van die sogenaamde 'newels' wat hy gesien het, sterrestelsels was wat miljoene ligjare weg was. Hy het dit gedoen deur 'n bepaalde soort veranderlike ster in die & # 8220nebulae, & # 8221, die Cepheids, waar te neem, wat enkele jare tevore deur Henrietta Leavitt ontdek is, waarvan die variasieperiode gekoppel is aan hul helderheid. Die tydperk van die Cepheids in die newels wat Hubble waargeneem het, het so 'n helderheid geïmpliseer dat dit ongetwyfeld ekstragalakties was. Sodoende het hy ook 'n korrelasie vasgestel tussen die afstand en die rooi verskuiwing van die optiese spektra van die sterrestelsels wat hy waargeneem het. Sedertdien is die rooi verskuiwing die hoeveelheid wat die meeste gebruik word om die afstand van ekstragalaktiese voorwerpe te meet.

Die rooi verskuiwing is 'n toename in die golflengte (afname in energie) van die lig wat plaasvind wanneer 'n ligbron van die waarnemer af wegbeweeg. Dit word tipies in optiese en naby-infrarooi gemeet deur die spektrale lyne van die bron (Figuur 1). In ekstragalaktiese sterrekunde is die rooi verskuiwing (ook genoem kosmologiese rooi verskuiwing) te danke aan die uitbreiding van die heelal wat die afstand tussen die sterrestelsels en die aarde vergroot.

Figuur 1. Absorpsiespektrumlyne in die optiese spektrum van 'n superkluster van verre sterrestelsels (boonste paneel) in vergelyking met 'n nabygeleë voorwerp, die Son (onderste paneel). Pyle dui die rooi verskuiwing aan, dit wil sê die toename van die golflengtes (laer energie). Krediet: Georg Wiora

Blazers en hul afstand in baie hoë-energie sterrekunde

Soos vir alle astronomiese instrumente, is die afstand van die waargenome voorwerp ook baie belangrik vir CTA. Dit geld veral vir baadjies, die meeste klas ekstragalaktiese bronne in die baie hoë-energie (VHE) domein (bo tientalle GeV). Blazars are a class of Active Galactic Nuclei (AGNs) – compact regions at the centre of galaxies with strong and variable emission across the electromagnetic spectrum. Their emission is caused by accretion on the central supermassive black hole. During the accretion process, a jet of relativistic particles is emitted from the vicinity of the black hole, whose radiation spans from radio to gamma rays. In blazars, the jet is pointed towards the observer.

In the most numerous class of VHE blazars, BL Lacs, the jet emission dominates over the galaxy emission in the optical range. The latter is crucial for redshift measurement, but because of the stronger jet emission, their redshift is very difficult to estimate. Less than half of the known BL Lacs have a known redshift and, with such a low percentage, it is not possible to estimate their properties as a whole: we do not know with precision their density in the Universe and their evolution with time, and their emission cannot be modelled with great precision.

The lack of knowledge of blazars’ redshift (or distance) is particularly problematic in the VHE domain: the blazars’ VHE spectra we observe with our telescopes are distorted by the interaction of the VHE gamma rays with photons and particles encountered along their travel to Earth. This distortion is dependent on the distance and so, its value is needed to correct the spectra and obtain the real emission of the source. Conversely, if a model of the source emission is assumed, the properties of the intergalactic medium can be extracted.

Several physical processes are responsible for the distortion of the VHE spectra, but in this article, we will concentrate on the Extragalactic Background Light (EBL), which is the integration of all the optical and near-infrared light emitted by the stars and galaxies during the history of the Universe, and whose value, usually measured in the optical range, is not very well known yet.

The optical photons from the EBL interact with the VHE gamma rays from blazars, annihilating and giving rise to an electron and a positron (see Figure 2). This effect is strongly dependent on the redshift of the blazar and so, by knowing the redshift and observing VHE gamma rays, we can measure the EBL.

Figure 2: Cosmic journey of gamma rays from a distant galaxy down to the CTA Observatory. Among other physical processes, some gamma rays produce electron-positron pairs when interacting with EBL photons (top left process).

This measurement is one of the main science cases of CTA. Thanks to its unprecedented sensitivity, wide field of view and extended spectral range, in fact, CTA will obtain many more blazar spectra and with a much higher signal-to-noise than previous instruments. These spectra, in principle, will allow to measure the EBL with precision comparable to the optical one, allowing a fundamental cross-check between the two methods. Unfortunately, if the distance of the blazars is not known, the quality of the measurements in general can be affected. For this reason, a group of CTA Consortium members has performed observations from some of the world’s greatest optical observatories (ESO, Keck, SALT) in order to measure the redshift of bright gamma-ray blazars that likely will be detected with CTA. A paper presenting the measurement of 11 blazar redshifts, which will be crucial for future CTA scientific studies, has recently accepted for publication by Astronomy and Astrophysics Journal [1]. This effort is just beginning, and it will increase the number of gamma-ray blazars with known redshift, thus, helping to maximise the scientific return of CTA.


Doppler effect

Listen to an ambulance or police siren as it passes. You should be able to hear a higher pitch as it is moving toward you and a lower pitch as it moves away. You are hearing the Doppler effect. It works for light as well as sound. The frequency (pitch for sound) and wavelength of both sound and light change if the source is moving relative to the observer. Think of the waves as either being stretched out or squeezed together. Note that either the source or the observer can be moving. When applied to light, the Doppler effect causes light from a source moving away to be shifted to a longer wavelength and light from an incoming source to be shifted to a shorter wavelength. Because red light has a longer wavelength than blue light, the shift toward a longer wavelength is a redshift.


Thread: Galactic redshift in a static universe

Is the universe expanding? Galactic redshift (along with other data) is telling us that the universe is expanding. In this tread I wand to explain two processes that might provide a different explanation for the redshift observed in galaxies. I hope to show two principles that could be responsible for the observed redshift even in a static universe. (I'm not proclaiming that the universe is static, so please don't ask me to much prove on the distribution of quasars, Cosmic background radiation, ect.). Both the principles I describe are independent to each other. (but they cover the same topic and I didn't want to create two threads.)

What is redshift?
I'm no expert on the cosmology, So I'll first describe what I know about redshift observations.

All (non dark) stuff in space interacts with light.
- cold gasses absorb certain frequencies (absorption lines)
- hot gasses emit certain frequencies (emission lines)
- hot objects emit light (but because the overpopulation (widening) of the emission bands it will look more like a continues spectrum)

The Doppler effect predicts that when a object moving towards an observer the spectrum(lines) of the object will be shifted towards a higher frequency (a.k.a. blueshift). A movement away from the observer produces a redshift.

This measured speed the radio velocity of the object. (it is a component of the actual velocity along the line of the observation)

Proposition A
--------------
In simple words it would sound like "distant time runs slower then local time"


When observer B observes an object A at position pa over a distance d, The observed time at point A (observed from point B) progresses slower.


But how can time have two different rates. Recent threads on this board where about this subject and lead to some serous discussions.

How can we describe time at a different rate? It is clear that we will end up defining the rate of time soos seconds over seconds ( s/s )

Lets take a look at a scientist called Bob. Bob is observing a distant galaxy A. In his mind he travels to Galaxy A. He defines the second for the galaxy as being asecond. He travels back to his observatory B. At B he defines the second for the observatory as a bsecond. Both definitions are identical.

At his observatory the "rate 1 " of time is:

That is quite logical, a second is a second. A scientist in galaxy A could do the same and would get a result like this:

When Bob looks at galaxy A he can now determine the "rate of time" for galaxy A as

(where both sb and sa are measured in aseconds)


in general the time rate factor Q can be writen as:

Q = ratetyddistant = distantsecond / plaasliketweede.

And Q is expressed in (plaaslikesecond / plaaslikesecond)


the "time rate" or Q is a function of distance


Difference between Big Bang and TimeRate explanation.
1. In the big bang theory Galaxy A would be moving away and thereby increasing its distance to us. Therefore the after a while it is moving faster and faster because the distance increases.

2. If one is saying that Galaxy A is stationary then A is just running more and more behind to our local clock. (and it is running behind at constant rate that will not change over time.) The measured redshift of the galaxy will remain the same, now and in the future.

It's quite mind-boggling to work out the consequences of this proposal. The further an object is in space the slower the apparent time rate of the object. But if there was no big bang, there isn't a beginning of time, how much are we running behind in our observations? The answer would be infinite.

Very distant objects would evolve very very slow. but they would remain visible (whereas the big bang predicts them to vanish beyond the horizon)


(edit: OOPS, I was still working on the text and posted this by accident. (missed the preview post button. )

Is the universe expanding? Galactic redshift (along with other data) is telling us that the universe is expanding. In this tread I wand to explain two processes that might provide a different explanation for the redshift observed in galaxies. I hope to show two principles that could be responsible for the observed redshift even in a static universe. (I'm not proclaiming that the universe is static, so please don't ask me to much prove on the distribution of quasars, Cosmic background radiation, ect.). Both the principles I describe are independent to each other. (but they cover the same topic and I didn't want to create two threads.)

What is redshift?
I'm no expert on the cosmology, So I'll first describe what I know about redshift observations.

All (non dark) stuff in space interacts with light.
- cold gasses absorb certain frequencies (absorption lines)
- hot gasses emit certain frequencies (emission lines)
- hot objects emit light (but because the overpopulation (widening) of the emission bands it will look more like a continues spectrum)

The Doppler effect predicts that when a object moving towards an observer the spectrum(lines) of the object will be shifted towards a higher frequency (a.k.a. blueshift). A movement away from the observer produces a redshift.

This measured speed the radio velocity of the object. (it is a component of the actual velocity along the line of the observation)

Proposition A
--------------
In simple words it would sound like "distant time runs slower then local time"


When observer B observes an object A at position pa over a distance d, The observed time at point A (observed from point B) progresses slower.


But how can time have two different rates. Recent threads on this board where about this subject and lead to some serous discussions.

How can we describe time at a different rate? It is clear that we will end up defining the rate of time soos seconds over seconds ( s/s )

Lets take a look at a scientist called Bob. Bob is observing a distant galaxy A. In his mind he travels to Galaxy A. He defines the second for the galaxy as being aseconds. He travels back to his observatory B. At B he defines the second for the observatory as a bsecond. Both definitions are identical.

At his observatory the "rate 1 " of time is:

That is quite logical, a second is a second. A scientist in galaxy A could do the same and would get a result like this:

When Bob looks at galaxy A he can now determine the "rate of time" for galaxy A as

(where both sb and sa are measured in aseconds)


in general the timerate factor Q can be writen as:

Q = ratetyddistant = distantsecond / plaasliketweede.

And Q is expressed in (plaaslikesecond / plaaslikesecond)


the "time rate" or Q is a function of distance


Difference between Big Bang and TimeRate explenation.
1. In the big bang theory Galaxy A would be moving away from increasing the distance. therefore the after a while is moving faster and faster because the distance increases.

2. If one is saying that Galaxy A is stationary then A is just running more and more behind to our local clock. (and it is running behind at constant rate because the distance remains the same)

It's quite mind-boggling to work out the consequences of this proposal. The further an object is in space the slower the apparent time rate of the object. But if there was no big bang, there isn't a beginning of time, how much are we running behind in our observations? The answer would be infinite.

Very distant objects would evolve very very slow. but they would remain visible (whereas the big bang predicts them to vanish beyond the horizon)


(edit: OOPS, I was still working on the text and posted this by accident. (missed the preview post button. )

Hi Quadrazar,
Where is your "Proposition B"?

as for your 'Proposition A" if this was the case then it puts us in much the same position as being at the centre of the universe where all galaxies are moving away from us.

Take the following thought experiment using your proposal.

We are MW (Milky way) we observe A & B red shifted.
By your proposal A & B would just be running at a "slower rate of time"
Now what would A see? Well A should see "MW" blue shifted because it is running at a faster rate of time. A and B would see each other neither blue or red shifted because they are running at the same rate of time.

In science we call these different rates of time "Frames"
We know that we can have different "Frames" but the frames are controlled by 2 things.
How deep the object is in a gravity well compared to the gravity well we are in.
How fast an object is travelling relative to us.

This arbitrary frame shifting based on d from us makes little sense unless we are in a very special place in the universe and there is no indication that this is actually the case.

So just from observation we can pretty much rule out this proposal.

Finally being science we can't just let you say
"I'm not proclaiming that the universe is static, so please don't ask me to much prove on the distribution of quasars, Cosmic background radiation, ect."

Science isn't isolated factoids. All those other things corroborate an expanding universe and thus lend support to why the red shift is most likely do to the introduction of space at a given rate.

When it comes down to it this proposal not only raises new questions, which in itself isn't bad, but invalidates many answers we already have. A new theory should explain every thing the old one does and hopefully a little bit more or at least provide a much better explanation then the current one that it can not be ignored. In the later case you wouldn't see the original theory discarded but held on to and the 2 theories, though incompatible, would be used at the same time and the one used would be dictated by which one is more applicable to the question at hand.


Ask Ethan: Could ‘Cosmic Redshift’ Be Caused By Galactic Motion, Rather Than Expanding Space?

In physics, like in life, there are often multiple solutions to a problem that will give you the same result. In our actual Universe, however, there’s only one way that reality actually unfolds. The great challenge that presents itself to scientists is to figure out which one of the possibilities that nature allows is the one that describes the reality we inhabit. How do we do this with the expanding Universe? That’s what Vijay Kumar wants to know, asking:

When we observe a distant galaxy, the light coming from the galaxy is redshifted either due to expansion of space or actually the galaxy is moving away from us. How do we differentiate between the cosmological redshift and Doppler redshift? I have searched the internet for answers but could not get any reasonable answer.

The stakes are among the highest there are, and if we get it right, we can understand the nature of the Universe itself. But we must ensure we aren’t fooling ourselves.

When you look out at a distant object in the sky, you can learn a lot about it by observing its light. Stars will emit light based on their temperature and the rate at which they fuse elements in their core, radiating based on the physical properties of their photospheres. It takes millions, billions, or even trillions of stars to make up the light we see when we examine a distant galaxy, and from our perspective here on Earth, we receive that light all at once.

But there’s an enormous amount of information encoded in that light, and astronomers have figured out how to extract it. By breaking up the light that arrives into its individual wavelengths — through the optical technique of spectroscopy — we can find specific emission and absorption features amidst the background continuum of light. Wherever an atom or molecule exists with the right energy levels, it absorbs or emits light of explicit, characteristic frequencies.

Whether an atom is neutral, ionized one, two, or three times, or is bound together in a molecule will determine what specific wavelengths it emits or absorbs. Whenever we find multiple lines emitted or absorbed by the same atom or molecule, we uniquely determine its presence in the system we’re looking at. The ratios of the different wavelengths emitted and absorbed by the same type of atom, ion, or molecule never changes throughout the entire Universe.

But even though atoms, ions, molecules, and the quantum rules governing their transitions remains constant everywhere in space and at all times, what we observe isn’t constant. That’s because the different objects we observe can have their light systematically shifted, keeping the wavelength ratios the same but shifting the total wavelength by an overall multiplicative factor.

The question we want a scientific answer to, of course, is “why is this occurring?” Why does the light we observe from distant objects appear to shift all at once, by the same ratio for all lines in every individual object we observe?

The first possibility is one we encounter all the time: a Doppler shift. When a wave-emitting object moves towards you, there’s less space between the wave crests you receive, and therefore the frequencies you observe are shifted towards higher values than the emitted frequencies from the source. Similarly, when an emitter moves away from you, there’s more space between the crests, and therefore your observed frequencies are shifted towards longer values. You’re familiar with this from the sounds emitted from moving vehicles — police sirens, ambulances, ice cream trucks — but it happens for light sources as well.

There’s a second plausible possibility, however: this could be a cosmological shift. In General Relativity (our theory of gravity), it is physically impossible to have a static Universe that’s filled with matter and radiation throughout it. If we have a Universe that is, on the largest scales, filled with equal amounts of energy everywhere, that Universe is compelled to either expand or contract.

If the Universe expands, the light emitted from a distant source will have its wavelength stretched as the very fabric of space itself expands, leading to a redshift. Similarly, if the Universe contracts, the light emitted will have its wavelength compressed, leading to a blueshift.

When we look out at the galaxies we actually have in the Universe, the overwhelming majority of them aren’t just redshifted, they’re redshifted by an amount proportional to their distance from us. The farther away a galaxy is, the greater its redshift, and the law is so good that these two properties increase in direct proportion to one another.

First put forth in the late 1920s by scientists like Georges Lemaitre, Howard Robertson, and Edwin Hubble, this was taken even in those early days as overwhelming evidence in favor of the expanding Universe. In other words, nearly a century ago, people were already accepting the explanation that it was expanding space and not a Doppler shift that was responsible for the observed redshift-distance relation.

Over time, of course, the data has gotten even better in support of this law.

As it turns out, there are actually a total of vier possible explanations for the redshift-distance relation we observe. They are as follows:

  • The light from these distant galaxies getting “tired” and losing energy as they travel through space.
  • Galaxies evolved from an initial explosion, which pushes some galaxies farther away from us by the present.
  • The galaxies move rapidly, where the faster-moving, higher-redshift galaxies wind up farther away over time.
  • Or the fabric of space itself expanding.

Fortunately, there are observational ways to discern each of these alternatives from one another. The results of our observational tests yield a clear winner.

The first is to look at the surface brightness of distant galaxies. If the Universe weren’t expanding, a more distant galaxy would appear fainter, but a uniform density of galaxies would ensure we were encountering more of them the farther away we look. In a Universe where the light got tired, we would get a constant number density of photons from progressively more distant galaxies. The only difference is that the light would appear redder the farther away the galaxies are.

This is known as the Tolman Surface Brightness test, and the results show us that the surface brightness of distant galaxies decreases as a function of redshift, rather than remaining constant. The tired-light hypothesis is no good.

The explosion hypothesis is interesting, because if we see galaxies moving away from us in all directions, we might be tempted to conclude there was an explosion long ago, with the galaxies we see behaving like outward-moving shrapnel. This should be easy to detect if so, however, since there should be smaller numbers of galaxies per unit volume at the greatest distances.

On the other hand, if the Universe were expanding, we should actually expect greater numbers of galaxies per unit volume at the greatest distances, and those galaxies should be younger, less evolved, and smaller in mass and size. This is a question that can be settled observationally, and quite definitively: deep galaxy counts show an expanding Universe, not one where galaxies were flung to great distances from an explosion.

Finally, there’s a direct redshift-distance test we can perform to determine whether the redshift is due to a Doppler motion or to an expanding Universe. There are different ways to measure distance to an object, but the two most common are as follows:

  • angular diameter distance, where you know an object’s physical size and infer its distance based on how large it appears,
  • or luminosity distance, where you know how bright an object intrinsically is and infer its distance based on how bright it appears.

When you look out at the distant Universe, the light has to travel through the Universe from the emitting object to your eyes. When you do the calculations to reconstruct the proper distance to the object based on your observations, there’s no doubt: the data agrees with the expanding Universe’s predictions, not with the Doppler explanation.

28 billion light-years. We have thousands of quasars and galaxies with similar measurements, establishing beyond a reasonable doubt that redshift is due to the expansion of space, not to a Doppler shift. (SLOAN DIGITAL SKY SURVEY)

If we lived in a Universe where the distant galaxies were so redshifted because they were moving away from us so quickly, we’d never infer that an object was more than 13.8 billion light-years away, since the Universe is only 13.8 billion years old (since the Big Bang). But we routinely find galaxies that are 20 or even 30 billion light-years distant, with the most distant light of all, from the Cosmic Microwave Background, coming to us from 46 billion light-years away.

It’s important to consider all the possibilities that are out there, as we must ensure that we’re not fooling ourselves by drawing the type of conclusion we want to draw. Instead, we have to devise observational tests that can discern between alternative explanations for a phenomenon. In the case of the redshift of distant galaxies, all the alternative explanations have fallen away. The expanding Universe, however unintuitive it may be, is the only one that fits the full suite of data.