Sterrekunde

Word kosmologiese rooi verskuiwing veroorsaak as gevolg van die uitbreiding van die ruimte of die afstand wat deur die lig afgelê word?

Word kosmologiese rooi verskuiwing veroorsaak as gevolg van die uitbreiding van die ruimte of die afstand wat deur die lig afgelê word?


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.

As die heelal nie uitgebrei het nie, sou die lig dan nog steeds rooi verskuif word nadat dit 'n entjie afgelê het?

Is daar 'n manier om seker te wees dat dit die uitbreiding is wat veroorsaak dat lig rooi verskuif en nie net 'n natuurlike verskynsel vir lig na rooi verskuiwing nie, ongeag of die ruimte uitbrei? In laasgenoemde geval is die enigste manier waarop die uitbreiding van die ruimte die rooi verskuiwing kan beïnvloed, deur die lig van 'n langer afstand te laat beweeg.

Edit: Ek het dus die term 'Tired light' in 'n SE-antwoord teëgekom, maar dit verklaar nie regtig waarom hierdie teorie nie ondersteuners het nie. So, hoekom is daar nie?


  • Alle waarnemers in verskillende sterrestelsels sien die dieselfde uitbreiding rondom hulle.
  • Geen sentrum nie - alle waarnemers verskyn om in die sentrum te wees.
  • NIE beweging deur ruimte.
  • Uitbreiding van ruimtetyd: sterrestelsels saamgevoer.

Namate die heelal 2x groter word, word die afstande tussen sterrestelsels 2x groter.

Nota: Terwyl die afstande tussen sterrestelsels mettertyd toeneem, word die groottes van die sterrestelsels dieselfde bly. Dit is omdat sterrestelsels aanmekaar gebind is deur gravitasie plaaslik, en moet dus nie in die wêreldwyd uitbreiding van die ruimtetyd rondom hulle.


Die implikasies van die Hubble & # 039s-wet: 'n uitbreidende heelal

Net soos Kepler's Laws, is Hubble's Law 'n empiriese wet. Hubble het 'n verband ontdek tussen twee meetbare eienskappe van sterrestelsels: hul snelhede en hul afstande. Gegewe hierdie verhouding lei dit egter natuurlik tot verskeie vrae. Hierdie vrae is:

  • Wat is die oorsaak van hierdie verhouding?
  • Waarom moet sterrestelsels in die verte groter snelhede hê?

Op die vorige bladsy het ons die snelhede van sterrestelsels en die verband tussen hul snelhede en afstande toegeskryf aan 'n ontploffing. Aangesien al die rommelstukke van 'n ontploffing op dieselfde plek ontstaan ​​het, moet die verste dele vinniger beweeg om die verste in dieselfde tyd te reis. Dit is 'n aanvaarbare analogie, maar dit is nie perfek nie. Dit help ons egter om te verstaan ​​dat die heelal moet uitbrei. Ons beste interpretasie van die verhouding wat Hubble ontdek het, is dat dit impliseer dat die ruimte tussen sterrestelsels vergroot.

Kom ons bestudeer hierdie idee van 'n groeiende heelal in 'n bietjie meer besonderhede. As alle voorwerpe met 'n konstante snelheid na buite beweeg, moet die grense wat deur die buitenste voorwerpe gedefinieer word, voortdurend groei. Om meer presies te wees oor die uitbreiding van die heelal, gebruik ons ​​weer analogieë. Die eerste is: prentjies op 'n baie lang rekkie. Die kolletjies is veronderstel om sterrestelsels voor te stel. As u aan die rekkie trek, sal die afstand tussen die kolletjies groter word. As die aanvanklike afstand tussen elke punt 1 cm is (punt B is 1 cm van punt A af, punt C is 2 cm en punt D is 3 cm weg) en u trek die rekkie aan sodat die kolletjies nou 2 is cm van mekaar af, dan van punt A, sal punt B 2 cm weg wees, punt C sal 4 cm weg wees en punt D 6 cm weg. Punkt C sal in dieselfde tyd as punt B twee keer so ver van punt A beweeg het, en punt D sal in dieselfde tyd as punt B drie keer so ver van punt A af beweeg het. Vanuit punt A se oogpunt lyk dit dus asof die vêrdere punte vinniger beweeg het as die nader punte (onthou, die snelheid van 'n voorwerp is die afstand afgelê gedeel deur die tyd wat dit neem om daardie afstand te gaan). As ons die vorige eksperiment sou herhaal, maar die afstande tussen die punte uit die oogpunt van punt B sou meet, sou ons vind dat punt B dieselfde gevolgtrekking sou maak as punt A. Dit wil sê dat al die punte lyk asof dit wegbeweeg. van punt B, en dit lyk asof die kolle vinniger beweeg.

Die analogie in die figuur hierbo stel ons in staat om verskeie gevolgtrekkings oor die heelal te maak.

  1. Die sterrestelsels beweeg nie regtig deur die ruimte weg van mekaar nie. In plaas daarvan, is die ruimte tussen hulle besig om uit te brei (net soos die rekkie uitgebrei het, en die punte wat daaraan vas is, van mekaar skei). Namate die heelal uitbrei, kom die sterrestelsels verder van mekaar af en lyk dit asof die skynbare snelheid groter is vir die sterre sterrestelsels.
  2. Die Aarde en die Melkweg is nie spesiaal om te sien dat dit lyk asof alle sterrestelsels van ons af wegbeweeg nie. As ons in 'n ander sterrestelsel was, sou ons ook sien dat al die ander sterrestelsels van ons af wegbeweeg weens hierdie uitbreiding.

Die volgende twee analogieë is soortgelyk aan die rekkie / kolletjie-analogie, maar ons gaan in meer dimensies dink, aangesien ons weet dat die sterrestelsels nie beperk kan word om langs 'n eendimensionele lyn te kom nie. Stel die deeg voor rosyntjiebrood in plaas van 'n lyn. Binne die deeg is al die rosyne van mekaar geskei. Namate die deeg rys tydens bak, sal al die rosyne verder van mekaar af beweeg. Gestel die grootte van die deeg verdubbel. Die afstand tussen al die rosyne sal verdubbel, en net soos die kolletjies op die rekkie, lyk dit asof die verre rosyne vinniger beweeg het. Dit word goed weergegee in die geanimeerde beeld van die NASA WMAP-missie hieronder.

Albei die twee analogieë (rekkie en rosyntjiebrood) moet u in staat stel om voor te stel dat elke sterrestelsel (of kolletjie of rosyntjie) al die ander sterrestelsels sal sien wegbeweeg as die ruimte tussen hulle uitbrei. Ons gebruik nog een analogie om die wiskunde van die uitbreiding van die heelal te probeer verklaar en om 'n ander algemene vraag wat in die kosmologie ontstaan, te beantwoord:

Stel jou voor 'n heelal wat bestaan enigste van die oppervlak van 'n ballon. Al die sterrestelsels en die sterre in die sterrestelsels is op die oppervlak van die ballon vasgemaak. Daar is geen manier vir die waarnemers om die gebied binne die ballon of die gebied buite die ballon waar te neem nie; hulle is (en die lig is) gedwing om slegs langs die oppervlak te beweeg. In hierdie analogie, as die ballon opgeblaas word, sal die sterrestelsels op die oppervlak van die ballon verder van mekaar af beweeg. Net soos met die rekkies en rosyntjie-analogieë, as u die afstand tussen die sterrestelsels voor en na die opblaas van die ballon meet, sal u in staat wees om aan te toon dat die sterre sterrestelsels vinniger sal lyk, net soos die wet van Hubble in ons heelal (en soos die rubberband en rosyntjiebrood-eksperimente). Weereens sal elke sterrestelsel dieselfde effek waarneem, en niemand is op 'n spesiale plek nie. As u vra waar die middelpunt van die uitbreiding is, is dit in die ballon. Dit beteken dat geen ligging op die oppervlak van die ballon (die heelal volgens die inwoners op die oppervlak van die ballon) as die "middelpunt" van die heelal geïdentifiseer kan word nie.

Ons gebruik hierdie analogie om die vraag te beantwoord:

Die idee is dat ons in 'n heelal leef met drie ruimtelike dimensies wat ons kan waarneem, maar dat daar 'ekstra' dimensies bestaan ​​(miskien een, miskien meer as een) wat die middelpunt van die uitbreiding bevat. Net soos die tweedimensionele wesens wat die oppervlak van die ballonuniversum bewoon, kan ons nie die middelpunt van ons heelal waarneem nie. Ons kan sien dat dit uitbrei, maar ons kan nie 'n plek in ons 3D-ruimte identifiseer wat die middelpunt van die uitbreiding is nie.

Tot op hierdie stadium het ons die rooi verskuiwing van lig as 'n Doppler-verskuiwing beskryf. Noudat ons verstaan ​​dat die heelal uitbrei, moet ons hierdie beskrywing hersien. Die manier waarop ons die kosmologiese rooi verskuiwing van sterrestelsels verstaan, is soos volg. Stel u 'n foto voor wat deur 'n verre sterrestelsel na die aarde uitgestraal word. Daardie foton het 'n spesifieke golflengte. Tydens die reis tussen die verre sterrestelsel en die Aarde het die ruimte tussen daardie sterrestelsel en die Aarde egter uitgebrei. Die uitbreiding van die ruimte laat die golflengte van die foton rek, dus as dit by die aarde aankom, het dit 'n langer golflengte as toe dit vertrek. Wiskundig optree dit presies asof die foton Doppler verskuif is. Ons interpreteer dus die sterrestelsels dat dit deur die ruimte weg van ons af beweeg. Die regte interpretasie is egter dat die sterrestelsels op spesifieke posisies in die ruimte is en dat die ruimte tussen hulle uitbrei. Hieronder is 'n animasie wat die kosmologiese rooi verskuiwing illustreer met behulp van die ballon-analogie vir die uitbreiding van die ruimte.

Beteken dit dat die sonnestelsel uitbrei? Wat van die Melkweg? Sal Pluto al hoe verder van die son af kom namate die heelal uitbrei? Die antwoord is nee, en dit is 'n bietjie moeilik om presies te verstaan ​​waarom. Beskou weer 'n stabiele hoofreeksster. Ons het bespreek hoe die uitwaartse krag van die stralingsdruk wat deur die kernfusie in die kern geskep is, die uitwaartse krag van swaartekrag in balans gebring het om 'n ster ineenstorting te voorkom. Ons kan alle voorwerpe en stelsels van voorwerpe in die heelal onderwerp aan dieselfde soort balans van kragte. Die uitbreiding van die heelal kan beskou word as 'n wêreldwye krag wat op alle voorwerpe trek. Dit is egter net sterk op baie groot skale. Op die skaal van 'n sterrestelsel is die gravitasiekrag wat 'n sterrestelsel aanmekaar bind, baie sterker as die 'uitbreidingskrag', sodat die sterrestelsel nie uitbrei nie. Op die skaal van die sonnestelsel is die wanbalans nog groter, sodat die swaartekragbinding van die sonnestelsel die 'uitbreidingskrag' maklik oorweldig, en Pluto se wentelingskeiding van die son met verloop van tyd hou.


Antwoorde en antwoorde

Die manier waarop dit oorspronklik deur supernovas gemeet is, is dit.

Tipe I-A-supernovas is die sogenaamde & quotstandaard kerse & quot. Hulle is reg rondom dieselfde helderheid (nie presies dieselfde helderheid nie, maar naby genoeg vir ons doeleindes: ons moet net baie supernovas meet om die variasies gladder te maak). Ons kan dus sien hoe ver 'n supernova is deur na die skynbare helderheid daarvan te kyk, en ons kan sien hoe vinnig dit vanaf die rooi verskuiwing beweeg.

Hierdie twee dinge kombineer mekaar om te sien hoe vinnig die heelal deur die tyd uitgebrei het. Wat ons vind, is dat as ons ver genoeg weggaan, die supernovas dowwer begin vertoon vir 'n gegewe rooi verskuiwing as wat ons sou verwag as daar geen versnelling was nie. Dit beteken dat hulle vir dieselfde rooi verskuiwing nou verder weg is as wat ons anders sou verwag.

Hierdie meting, terloops, is bevestig deur 'n verskeidenheid ander kosmologiese metings en is vandag op 'n redelike vaste grond.

Dankie vir die antwoord, so my fout is dat ek aangeneem het dat rooi skuif gemeet word om vinniger toe te neem as dit verder weg is, terwyl dit andersom is?

Met ander woorde, die verskil in rooi verskuiwing tussen 'n supernova van 11 miljard ligjare weg en 12 miljard ligjare weg is kleiner as die van 1 miljard ligjare weg en 2 miljard ligjare weg?


Hoe kan die ruimte vinniger beweeg as die ligspoed?

Daar word dikwels van ligspoed as 'n kosmiese spoedbeperking gepraat ... maar nie alles speel volgens hierdie reëls nie. In werklikheid kan die ruimte self vinniger uitbrei as wat 'n foton ooit sou kon reis.

Kosmoloë is intellektuele tydreisigers. As ons miljarde jare terugkyk, is hierdie wetenskaplikes in staat om die evolusie van ons heelal in verstommende besonderhede na te spoor. 13,8 miljard jaar gelede het die oerknal plaasgevind. Fraksies van 'n sekonde later het die nuwe heelal eksponensieel uitgebrei gedurende 'n ongelooflike kort tydperk wat inflasie genoem word. Oor die daaropvolgende eeue het ons kosmos so groot geword dat ons nie meer die ander kant daarvan kan sien nie.

Maar hoe kan dit wees? As die snelheid van die lig 'n kosmiese snelheidsbeperking aandui, hoe kan daar dan ruimtetye wees waarvan die fotone vir ewig buite ons bereik is? En al is dit daar, hoe weet ons dat dit hoegenaamd bestaan?

Die uitbreidende heelal

Soos alles in fisika, streef ons heelal daarna om in die laagste moontlike energietoestand te bestaan. Ongeveer 10-36 sekondes na die oerknal glo inflasionêre kosmoloë dat die kosmos homself eerder op 'n 'valse vakuumenergie' laat rus het - 'n laagtepunt wat nie regtig 'n laagtepunt was nie. Op soek na die ware nadir van vakuumenergie, word die heelal meer as 'n fraksie van 'n oomblik met 'n faktor van 1050 geskiet.

Sedert daardie tyd het ons heelal steeds uitgebrei, maar in 'n baie stadiger tempo. Ons sien bewyse van hierdie uitbreiding in die lig van verre voorwerpe. Aangesien fotone wat deur 'n ster of sterrestelsel uitgestraal word, oor die heelal versprei, veroorsaak die uitrek van die ruimte dat hulle energie verloor. Sodra die fotone ons bereik, is hul golflengtes rooi verskuif in ooreenstemming met die afstand wat hulle afgelê het.

Dit is die rede waarom kosmoloë van rooi verskuiwing praat as 'n funksie van afstand in ruimte en tyd. Die lig van hierdie verre voorwerpe het al so lank gereis dat ons die voorwerpe, soos ons dit miljarde jare gelede gesien het, uiteindelik sien.

Met rooi verskuifde lig kan ons voorwerpe soos sterrestelsels sien soos dit in die verre verlede bestaan ​​het, maar ons kan nie alle gebeure sien wat gedurende ons geskiedenis in ons heelal plaasgevind het nie. Omdat ons kosmos besig is om uit te brei, is die lig van sommige voorwerpe eenvoudig te ver vir ons om ooit te sien.

Die fisika van die grens is deels afhanklik van 'n deel van die omliggende ruimtetyd, die Hubble-volume genoem. Hier op aarde definieer ons die Hubble-volume deur iets te meet wat die Hubble-parameter (H0) genoem word, 'n waarde wat die skynbare resessiesnelheid van verre voorwerpe in verband bring met hul rooi verskuiwing. Dit is vir die eerste keer in 1929 bereken, toe Edwin Hubble ontdek dat dit lyk asof verre sterrestelsels van ons af wegbeweeg teen 'n tempo wat eweredig is aan die rooi verskuiwing van hul lig.

As ons die spoed van die lig deur H0 deel, kry ons die Hubble-volume. Hierdie bolvormige borrel omsluit 'n gebied waar alle voorwerpe weg beweeg van 'n sentrale waarnemer teen snelhede wat minder is as die snelheid van die lig. Dienooreenkomstig beweeg alle voorwerpe buite die Hubble-volume vinniger weg van die sentrum as die spoed van die lig.

Ja, "vinniger as die ligspoed." Hoe is dit moontlik?

Die towerkuns van relatiwiteit

Twee bronne van rooi verskuiwing: Doppler en kosmologiese uitbreiding geskoei op Koupelis & Kuhn. Onder: Detectors vang die lig wat deur 'n sentrale ster uitgestraal word. Hierdie lig word uitgerek, of rooiverskuiwing, namate die ruimte tussenin uitbrei. Krediet: Brews Ohare

Die antwoord het te make met die verskil tussen spesiale relatiwiteit en algemene relatiwiteit. Spesiale relatiwiteit vereis wat 'n 'traagheidsverwysingsraamwerk' genoem word - eenvoudiger 'n agtergrond. Volgens hierdie teorie is die spoed van lig dieselfde as dit in alle traagheidsverwysingsraamwerke vergelyk word. Of 'n waarnemer stil op 'n parkbank op die planeet Aarde sit of verby Neptunus in 'n futuristiese vuurpyl-raketskip inzoomen, die snelheid van die lig is altyd dieselfde. 'N Foton beweeg altyd 300 000 000 meter per sekonde van die waarnemer af, en hy of sy sal dit nooit inhaal nie.

Algemene relatiwiteit beskryf egter die weefsel van die ruimtetyd self. In hierdie teorie is daar geen traagheidsverwysingsraamwerk nie. Ruimtetyd brei nie uit ten opsigte van iets buite sigself nie, dus is die snelheid van die lig as 'n beperking op sy snelheid nie van toepassing nie. Ja, sterrestelsels buite ons Hubble-sfeer sak vinniger van ons af as die spoed van die lig. Maar die sterrestelsels self verbreek geen kosmiese spoedbeperkings nie. Vir 'n waarnemer binne een van daardie sterrestelsels is daar geen skending van die spesiale relatiwiteit nie. Dit is die ruimte tussen ons en daardie sterrestelsels wat vinnig vermeerder en eksponensieel strek.

Die waarneembare heelal

Nou vir die volgende bom: die Hubble-volume is nie dieselfde as die waarneembare heelal nie.

Om dit te verstaan, moet u dink dat namate die heelal ouer word, ver lig meer tyd het om ons detektors hier op aarde te bereik. Ons kan voorwerpe sien wat bo ons huidige Hubble-volume versnel het, omdat die lig wat ons vandag sien, uitgestraal is toe dit daarin was.

Streng gesproke val ons waarneembare Heelal saam met iets wat die deeltjiehorison genoem word. Die deeltjiehorison dui op die afstand na die verste lig wat ons op hierdie oomblik in die tyd kan sien - fotone wat genoeg tyd gehad het om binne ons Hubble-sfeer te bly of dit in te haal.

En net wat is hierdie afstand? Iets meer as 46 miljard ligjare in elke rigting - wat ons waarneembare heelal 'n deursnee van ongeveer 93 miljard ligjare gee, of meer as 500 miljard triljoen myl.

('N Kort opmerking: die deeltjiehorison is nie dieselfde as die horison van die kosmologiese gebeurtenis nie. Die deeltjiehorison omvat al die gebeure in die verlede wat ons tans kan sien. Die kosmologiese gebeurtenishorison definieer daarenteen 'n afstand waarbinne 'n toekomstige waarnemer kan die destydse antieke lig sien wat ons klein hoekie van die ruimtetyd vandag uitstraal.

Met ander woorde, die deeltjiehorison handel oor die afstand tot voorwerpe waarvan die antieke lig wat ons vandag kan sien, die kosmologiese gebeurtenishorison handel oor die afstand wat ons hedendaagse lig wat in staat is om as verre streke van die heelal te beweeg, versnel van ons.)

Pas die rooiverskuiwingsnelhede by die wet van Hubble. Krediet: Brews Ohare

Danksy die uitbreiding van die Heelal is daar streke van die kosmos wat ons nooit sal sien nie, selfs al sou ons onbeperkte tyd kon wag totdat hulle lig ons sou bereik. Maar wat van die gebiede net buite die bereik van ons huidige Hubble-bundel? As daardie sfeer ook uitbrei, sal ons daardie grensvoorwerpe ooit kan sien?

Dit hang af van watter streek vinniger uitbrei - die Hubble-volume of die dele van die heelal daarbuite. En die antwoord op die vraag hang van twee dinge af: 1) of H0 toeneem of afneem, en 2) of die heelal versnel of vertraag. Hierdie twee tariewe is intiem verwant, maar dit is nie dieselfde nie.

In werklikheid glo kosmoloë dat ons eintlik leef in 'n tyd waarin H0 afneem, maar as gevolg van donker energie neem die snelheid van die heelal se uitbreiding toe.

Dit klink miskien teenintuïtief, maar solank as wat H0 met 'n stadiger tempo afneem as waarmee die heelal se uitbreidingsnelheid toeneem, kom die algehele beweging van sterrestelsels van ons af steeds teen 'n vinnige tempo voor. En op hierdie oomblik glo kosmoloë dat die uitbreiding van die heelal die meer beskeie groei van die Hubble-volume sal oortref.

Die waarneembare heelal, meer tegnies bekend as die deeltjiehorison.

Alhoewel ons Hubble-volume uitbrei, blyk dit dat die invloed van donker energie 'n harde limiet bied aan die steeds toenemende waarneembare heelal.

Ons aardse beperkings

Dit lyk asof kosmoloë diep vrae hanteer, soos hoe ons waarneembare heelal eendag gaan lyk en hoe die uitbreiding van die kosmos sal verander. Maar uiteindelik kan wetenskaplikes slegs die antwoorde op vrae oor die toekoms teoretiseer op grond van hul huidige begrip van die heelal. Kosmologiese tydskale is so onvoorstelbaar lank dat dit onmoontlik is om veel konkreet te sê oor hoe die Heelal in die toekoms sal optree. Die modelle van vandag pas buitengewoon goed by die huidige data, maar die waarheid is dat niemand van ons lank genoeg sal leef om te sien of die voorspellings werklik ooreenstem met al die uitkomste nie.

Teleurstellend? Sekerlik. Maar dit is die moeite werd om ons slegte brein te help om sulke geesteswetenskaplike wetenskap te oorweeg - 'n werklikheid wat soos gewoonlik net vreemder is as fiksie.


Word kosmologiese rooi verskuiwing veroorsaak as gevolg van die uitbreiding van die ruimte of die afstand wat deur die lig afgelê word? - Sterrekunde

Ongelooflike inleidende kursus en dek 'n wye verskeidenheid onderwerpe wat wissel van geskiedenis tot astronomie tot astrobiologie. Dit is regtig 'n groot amateur-sterrekundige en vir almal wat op die regte manier daarin belangstel.

Ongelooflike inleidende kursus en dek 'n wye verskeidenheid onderwerpe wat wissel van geskiedenis tot astronomie tot astrobiologie. Dit is regtig 'n groot amateur-sterrekundige en vir almal wat op die regte manier daarin belangstel.

Die argitektuur van die Melkwegstelsel is die van 'n skyf, 'n bult en 'n stralekrans, met die hele samestelling gebind deur raaiselagtige donker materie. Elke sterrestelsel bevat 'n supermassiewe swart gat en die hele bevolking sterrestelsels word deur swaartekrag in subtiele strukture op groot skale gevorm.

Преподаватели

Chris Impey

Текст видео

Die eerste groot ontdekking van Edwin Hubble was die ekstragalaktiese aard van sommige spiraalnewels. Die feit dat hierdie vae ligkolle hele sterrestelsels of sterrestelsels was wat ver van ons eie Melkweg af was. Aan die einde van sy loopbaan het hy die grootte van die bekende heelal met 'n faktor van duisende uitgebrei in vergelyking met die grootte van die Melkweg. Sy tweede groot ontdekking was ewe diep en het groot gevolge vir die geskiedenis van die heelal. Toe hy die afstande en snelhede van die sterrestelsels meet wat hy met groot teleskope kon waarneem, aanvanklik die Mount Wilson 100 duim, later die Palomar 200 duim. Hy het 'n opvallende korrelasie waargeneem, hoe wyer 'n sterrestelsel was, hoe vinniger het dit van ons af wegbeweeg. Die resessiesnelhede wat hy waargeneem het, was honderdduisende of selfs miljoene kilometers per uur. En feitlik elke sterrestelsel wat hy waargeneem het, het 'n rooi verskuiwing gehad, nie 'n blou verskuiwing nie, wat beteken dat dit terugtrek eerder as om nader te kom. In hierdie situasie, 'n lineêre verband tussen rooi verskuiwing en afstand, kan ons die logika omkeer en 'n tyd voorstel dat alle sterrestelsels nader aan mekaar was. Inderdaad, alle sterrestelsels was op mekaar. Die Hubble-verhouding of die Hubble-wet dui op 'n oorsprong vir die heelal, wat tyd agteruit spoor. Die konstante in hierdie lineêre verhouding word H genoem met 'n subteken 0. Die Hubble Constant, vernoem na Edwin Hubble, en die huidige uitbreidingstempo van die heelal. Hoe steiler hierdie verhouding, hoe vinniger is die huidige uitbreidingskoers. Hoe vlakker hierdie verhouding, hoe stadiger is die huidige uitbreidingstempo. Met behulp van die Hubble-ruimteteleskoop in sy sleutelprojek word die uitbreidingskoers ongeveer 72 kilometer per sekonde per megaparsek gemeet. Wat beteken dat die resessiesnelheid elke 3 miljoen ligjare van die aarde af met ongeveer 70 kilometer per sekonde toeneem. Hubble het nie die verbinding gemaak nie, maar ons verstaan ​​die waarnemings van Hubble nou in terme van die uitbreiding van die ruimte. Hubble het eenvoudig oor resessiesnelhede gepraat. Maar in die Theory of General Relativity, wat bedink is voordat Hubble sy opmerkings gemaak het. Die uitbreiding van ruimtetyd is iets waaraan die heelal deelneem en veroorsaak dat elke sterrestelsel van elke ander sterrestelsel af wegbeweeg. Die analogie wat dikwels gebruik word, is die uitbreidende weefsel van 'n ballon. Waar die stof van die ballon ruimte-tyd self is. Voorwerpe op die oppervlak van die ballon word van mekaar af weggevoer. Die beste analogie is klein krale wat aan die oppervlak van die ballon vasgeplak is, aangesien sterrestelsels afsonderlik deur hul eie swaartekrag bymekaar gehou word. Namate die afstand tussen hulle toeneem, groei die sterrestelsels dus nie in grootte nie. Wat impliseer die lineêre uitbreiding? En in die besonder, impliseer die feit dat alle sterrestelsels van ons af wegbeweeg dat ons in die middel van die heelal staan? Die antwoord is nee. As ons na 'n tweedimensionele lineêre analogie kyk, stel ons ons voor op die rooi sterrestelsel wat die afstande en snelhede van sterrestelsels naby ons meet, die groen en die blou. Ons kan sien dat sterre sterrestelsels vinniger wegbeweeg, dit is die lineêre verwantskap wat Hubble waargeneem het. Maar as ons ons perspektief verander, en ons dink dat ons op die blou of die groen sterrestelsel of enige ander sterrestelsel in die oog geleë is. En maak dieselfde metings, ons sou dieselfde sien. Alle sterrestelsels beweeg steeds van ons af, en hul bewegings word beskryf deur Hubble & # x27s Law. Daar is geen spesiale plek in hierdie verspreiding wat ons kan voorstel om oneindig in die ruimte voort te gaan nie. Daarom is ons óf die middelpunt van die uitbreiding, óf alle sterrestelsels is die middelpunt van uitbreiding. In werklikheid is albei verkeerd. Daar is geen bevoorregte posisie in die uitbreiding van die ruimte nie. Elke waarnemer in 'n sterrestelsel wat in die ruimte geskei is, sal dieselfde sien. Daar is 'n baie belangrike onderskeid tussen die uitbreiding van die ruimte in die moderne kosmologie en die Doppler-verskuiwing wat bekend is met die alledaagse lewe. In die Doppler-verskuiwing, die veranderende golflengte van lig of enige ander golf wat veroorsaak word deur relatiewe beweging. Dit is gebaseer op 'n verwysingsraamwerk waarin ons beweging kan definieer in verhouding tot 'n eksterne omgewing. As 'n ambulans of 'n brandweerwa byvoorbeeld naderkom, word die klankgolwe saamgedruk in die rigting van beweging. En as dit van jou af weggaan, word die klankgolwe uitgerek. Die toonhoogte styg en val dan, terwyl die brandweerwa of ambulans na u toe beweeg en dan van u af wegtrek. Maar die verwysing vir hierdie mosie is die pad self. Dit is relatiewe beweging in wat in die fisika 'n traagheidsraamwerk genoem word, en dit is die Doppler-effek. Die kosmologiese rooi verskuiwing is konseptueel heeltemal anders. Wat gebeur, is dat die ruimtetyd self uitbrei. Die sterrestelsels is ongelukkige slagoffers van hierdie uitbreiding, ry op die uitbreiding en beweeg dus van mekaar af weg. Daar is geen eksterne verwysingsraamwerk nie, want die ruimtetyd definieer die hele heelal. Die tweede situasie word die kosmologiese rooi verskuiwing genoem en dit verskil baie van die Doppler-effek. Analogieë is nuttig solank ons ​​dit nie te veel gebruik nie. Die uitbreidende ballonanalogie is relevant vir die heelal, maar dit hou nie alles vas oor die kosmologiese rooi verskuiwing nie. As u egter 'n klein golwende streep op 'n ballon trek en dit dan opblaas, sal die afstand tussen die kruine en die bakke op die golwende lyn groter word. En dit weerspieël die gedrag van bestraling in die uitbreiding van ruimtetyd baie noukeurig. Die kosmologiese uitbreiding het eintlik 'n gevolg dat bestraling deur die heelal beweeg. Waar die golflengte van die straling strek volgens die strekking van ruimte-tyd. Dit is opmerklik dat die kosmiese uitbreiding wat tientalle miljarde ligjare beïnvloed, voortplant tot by die golwe van die lig en 'n klein fraksie van 'n duim. Lig beweeg steeds deur die heelal met 300 000 kilometer per sekonde. Maar dit gaan deur 'n konteks van uitbreiding van die ruimtetyd waar die golflengte voortdurend toeneem. Die kosmologiese rooi verskuiwing is net die feit dat ver voorwerpe hul lig langer en groter afstande laat beweeg het. En so is dit uitgerek deur die tussenliggende uitbreiding. Die driedimensionele alledaagse analogie vir die uitbreiding van die ruimte kan 'n rosyntjiebrood wees waar die rosyne sterrestelsels voorstel. Namate die brood gebak word, neem die afstand tussen elkeen van die rosyne en elke ander rosyntjie toe, en dit is wat ons in die heelal van sterrestelsels sou sien. Met die driedimensionele afstand neem elke sterrestelsel en sy bure toe. Onthou dat nie alle sterrestelsels van elke ander sterrestelsel af wegbeweeg nie, want sommige sterrestelsels in die nabyheid is gebind deur wedersydse swaartekrag, in pare, of groepe, of selfs trosse. In die kosmiese situasie is die antwoord op die vraag waar is die middelpunt of is daar 'n middelpunt dat nee, daar is geen waarneembare middelpunt nie, elke sterrestelsel sien dieselfde uitbreiding. Dit is 'n demokrasie van standpunte. Die antwoord op die vraag is daar 'n voorsprong? Is sterrekundiges nog nie in staat om 'n rand van die ruimte te bepaal nie? Ons sien eerder 'n voorsprong in die tyd wat ooreenstem met die tyd waarvoor sterrestelsels bestaan ​​het. Die heelal kan dus oneindig wees. Hubble het 'n lineêre verband waargeneem tussen die afstand van 'n sterrestelsel en sy resessiesnelheid of rooi verskuiwing. Die moderne interpretasie van sy data is in terme van 'n groeiende heelal. Waar ruimte-tyd self uitbrei en die sterrestelsels in 'n driedimensionele ruimte uitmekaar gedra word. Hierdie uitbreiding is ook van toepassing op bestraling wat deur die heelal beweeg. Die golwe word uitgerek en die lig word rooi as dit deur die uitbreiding van ruimtetyd beweeg. Kosmologiese uitbreiding is baie anders as die Doppler-effek.


2 antwoorde 2

Ek het gelees / gehoor dat die uitbreiding van die heelal daartoe sal lei dat enige waarnemer nie ander sterrestelsels kan sien as die tyd aanstap nie, omdat hul lig nie meer by hulle uitkom nie.

Dit is korrek. Ruimte brei uit en sterrestelsels beweeg van mekaar af saam met die uitbreiding (die Hubble-vloei genoem). Daar is vermoedelik sterrestelsels al buite die waarneembare heelal, aangesien die lig nog nie tyd gehad het om ons te bereik nie.

As die uitbreiding voortduur (en voortgaan om te versnel, soos ons glo dit doen as gevolg van donker energie), sal sterrestelsels uiteindelik heeltemal geïsoleer word in die ruimte, met die afstande so enorm dat die lig dit nie kan deurkruis nie.

Ek het ruimteuitbreiding altyd verstaan ​​as 'n homotetie (omdat die ruimte eweredig uitbrei?). Is dit korrek ?

Ek dink jy bedoel homogeen, en ja, dit is breedweg korrek. Swaartekrag is gewoonlik plaaslik sterk genoeg om die uitbreiding te oorkom, en daarom kan sterrestelsels in die eerste plek ontstaan. In daardie gebiede is die uitbreiding nie tegnies homogeen nie, aangesien swaartekrag op verskillende plekke in verskillende hoeveelhede daarteen werk.

As dit so is, word nie alle verhoudings van afstande tot hul beeld veronderstel om konstant te wees na 'n skokkende transformasie nie?

In die kosmologie wil ons graag definieer wat die kosmiese skaalfaktor genoem word, wat vandag gelyk is aan 1 en 0 (of baie naby daaraan) aan die begin van die ruimtetyd. Dit help ons om te verstaan ​​hoe fisiese afstande oor tyd verander het, maar dit is nie beteken dat die fisiese afstande nie verander nie.

As die 'liniaal' wat ons gebruik om afstande tussen twee sterrestelsels te meet, met sy ruimte uitbrei, hoe verhoog die afstand wat die lig moet beweeg om na ons te kom?

Die fisiese skeiding tussen nie-gravitasiegebonde voorwerpe (bv. Sterrestelsels in die verte) neem toe. U kan 'n skaalfaktor definieer wat met u uitbreiding verander sodat die afstand lyk soos dit konstant bly. Maar weereens beklemtoon ek dat die fisiese uitbreiding nog steeds werklik is.

Trek twee kolle op mekaar op 'n ballon en blaas dit dan op. Kyk hoe die kolletjies uitmekaar beweeg as 'ruimtetyd', dit wil sê die ballon se oppervlak brei uit. Dit is basies wat in die Heelal gebeur.

Ek het ruimteuitbreiding altyd verstaan ​​as 'n homotetie (omdat die ruimte eweredig uitbrei?). Is dit korrek ?

Dit is 'n homotetie van die driedimensionele ruimtelike meetkunde, maar waarmee ons in die algemene relatiwiteit te make het, is die meetkunde van die vier-dimensionele ruimtetyd. Die idee van 'n driedimensionele ruimtelike meetkunde is slegs sinvol as u eers besluit wat u bedoel met 'n oppervlak van gelyktydigheid. So 'n oppervlak het wel 'n redelike natuurlike definisie in die spesiale geval van 'n homogene kosmologiese ruimtetyd, maar dit is nie iets wat ingebou is in die struktuur van algemene relatiwiteit nie.

As dit so is, word nie alle verhoudings van afstande tot hul beeld veronderstel om konstant te wees na 'n skokkende transformasie nie?

Ja, maar as u lig vanuit 'n verre sterrestelsel waarneem, meet u nie net 'n afstand nie. Algemene relatiwiteit definieer nie die ruimtelike afstand tussen twee punte nie. When people talk about the distance between two galaxies, and those people understand how GR works, they know that they are talking about a certain mathematical construct that only makes sense because of certain special properties of cosmological spacetimes (basically the existence of a preferred local frame associated with the Hubble flow).

When you observe light from a distant galaxy, you are making an observation that depends on all the details of how the light traveled through the expanding universe. This motion took place over some long period of time, during which the geometry of the universe was changing dynamically.

If the "ruler" we use to mesure distances between two galaxies expands with its space, how does the distance that light has to travel to get to us also increases ?

Rulers do not expand by any significant amount due to cosmological expansion. If they did, then cosmological expansion would not be observable. (The part about "by any significant amount" is necessary because there are theoretically very tiny strains on a ruler due to the acceleration or deceleration of cosmological expansion, but these are much too small to measure in practice and do not necessarily show any secular trend.)


11.6 The Big Bang

We have been discussing elementary particles, which are some of the smallest things we can study. Now we are going to examine what we know about the universe, which is the biggest thing we can study. The link between these two topics is high energy: The study of particle interactions requires very high energies, and the highest energies we know about existed during the early evolution of the universe. Some physicists think that the unified force theories we described in the preceding section may actually have governed the behavior of the universe in its earliest moments.

Hubble’s Law

In 1929, Edwin Hubble published one of the most important discoveries in modern astronomy. Hubble discovered that (1) galaxies appear to move away from Earth and (2) the velocity of recession (v) is proportional to the distance (d) of the galaxy from Earth. Albei v en d can be determined using stellar light spectra. A best fit to the sample illustrative data is given in Figure 11.18. (Hubble’s original plot had a considerable scatter but a general trend was still evident.)

The trend in the data suggests the simple proportional relationship:

Interactive

Watch this video to learn more about the history of Hubble’s constant.

Hubble’s law describes an average behavior of all but the closest galaxies. For example, a galaxy 100 Mpc away (as determined by its size and brightness) typically moves away from us at a speed of

This speed may vary due to interactions with neighboring galaxies. Conversely, if a galaxy is found to be moving away from us at speed of 100,000 km/s based on its red shift, it is at a distance

This last calculation is approximate because it assumes the expansion rate was the same 5 billion years ago as it is now.

Big Bang Model

Scientists who study the origin, evolution, and ultimate fate of the universe ( cosmology ) believe that the universe began in an explosion, called the Big Bang , approximately 13.7 billion years ago. This explosion was not an explosion of particles through space, like fireworks, but a rapid expansion of space itself. The distances and velocities of the outward-going stars and galaxies permit us to estimate when all matter in the universe was once together—at the beginning of time.

Scientists often explain the Big Bang expansion using an inflated-balloon model (Figure 11.19). Dots marked on the surface of the balloon represent galaxies, and the balloon skin represents four-dimensional space-time (Relativity). As the balloon is inflated, every dot “sees” the other dots moving away. This model yields two insights. First, the expansion is observed by all observers in the universe, no matter where they are located. The “center of expansion” does not exist, so Earth does not reside at the “privileged” center of the expansion (see Exercise 11.24).

Second, as mentioned already, the Big Bang expansion is due to the expansion of space, not the increased separation of galaxies in ordinary (static) three-dimensional space. This cosmological expansion affects all things: dust, stars, planets, and even light. Thus, the wavelength of light ( λ ) ( λ ) emitted by distant galaxies is “stretched” out. This makes the light appear “redder” (lower energy) to the observer—a phenomenon called cosmological redshift . Cosmological redshift is measurable only for galaxies farther away than 50 million light-years.

Example 11.8

Calculating Speeds and Galactic Distances

This value indicates a galaxy moving close to the speed of light. Using the relativistic redshift formula (given in Relativity), determine (a) How fast is the galaxy receding with respect to Earth? (b) How far away is the galaxy?

Strategie

Oplossing

Significance

The light of a galaxy that moves away from us is “redshifted.” What occurs to the light of a galaxy that moves toward us?

Interactive

View this video to learn more about the cosmological expansion.

Structure and Dynamics of the Universe

At large scales, the universe is believed to be both isotropic and homogeneous. The universe is believed to isotropic because it appears to be the same in all directions, and homogeneous because it appears to be the same in all places. A universe that is isotropic and homogeneous is said to be smooth. The assumption of a smooth universe is supported by the Automated Plate Measurement Galaxy Survey conducted in the 1980s and 1900s (Figure 11.20). However, even before these data were collected, the assumption of a smooth universe was used by theorists to simplify models of the expansion of the universe. This assumption of a smooth universe is sometimes called the cosmological principle .

The fate of this expanding and smooth universe is an open question. According to the general theory of relativity, an important way to characterize the state of the universe is through the space-time metric:

waar k is a constant with units of inverse area that describes the curvature of space. This constant distinguishes between open, closed, and flat universes:

In terms of the scale factor a, this metric also distinguishes between static, expanding, and shrinking universes:

The scale factor a and the curvature k are determined from Einstein’s general theory of relativity. If we treat the universe as a gas of galaxies of density ρ ρ and pressure bl, and assume k = 0 k = 0 (a flat universe), than the scale factor a is given by

As an Amazon Associate we earn from qualifying purchases.

Want to cite, share, or modify this book? This book is Creative Commons Attribution License 4.0 and you must attribute OpenStax.

    If you are redistributing all or part of this book in a print format, then you must include on every physical page the following attribution:

  • Use the information below to generate a citation. We recommend using a citation tool such as this one.
    • Authors: Samuel J. Ling, Jeff Sanny, William Moebs
    • Publisher/website: OpenStax
    • Book title: University Physics Volume 3
    • Publication date: Sep 29, 2016
    • Location: Houston, Texas
    • Book URL: https://openstax.org/books/university-physics-volume-3/pages/1-introduction
    • Section URL: https://openstax.org/books/university-physics-volume-3/pages/11-6-the-big-bang

    © Jan 25, 2021 OpenStax. Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution License 4.0 license. The OpenStax name, OpenStax logo, OpenStax book covers, OpenStax CNX name, and OpenStax CNX logo are not subject to the Creative Commons license and may not be reproduced without the prior and express written consent of Rice University.