Jak rychle se vesmír rozpíná? Odpověď závisí na tom, jak to měříte, a to je problém

Jak Rychle Se Vesmir Rozpina Odpoved Zavisi Na Tom Jak To Merite A To Je Problem

Vesmír se rozšiřuje.

Páni, stále mě baví si to zapisovat. Je to tak nádherné, kompaktní a jednoduché prohlášení, přesto má tak hluboké důsledky, že než jim porozumíme, může trvat celá desetiletí. A víme, že je to pravda už celé století.



Ale je to pravda. Máme spoustu nezávislých důkazů, které ukazují, že tomu tak je. To znamená, že vesmír byl v minulosti menší, a když spustíte hodiny o 13,8 miliardy let zpět, zjistíte, že vše v kosmu bylo stlačeno do jediného, ​​neuvěřitelně horkého a hustého místa. Spusťte hodiny znovu dopředu a získáte počáteční okamžiky vesmíru: velký třesk.

Velmi důležitá otázka, která přirozeně vyvstává, zní: Jak rychle rozpíná se vesmír? Ukazuje se, že vzdálenější objekty se od nás vzdalují rychleji, takže k popisu expanze používáme lichou jednotku: rychlost na vzdálenost. Zdvojnásobte vzdálenost a rychlost, kterou předmět ustupuje, se také zdvojnásobí.

Toto číslo v astronomii má jméno: Hubbleova konstanta. Edwin Hubble se to pokusil vypočítat už na počátku 20. století a od té doby jsme toho mohli hodně upřesnit. Je to kolem 70 kilometrů za sekundu na megaparsek (megaparsek nebo Mpc je jeden milion parseků nebo 3,26 milionu světelných let; pro srovnání galaxie Andromeda je od nás vzdálena necelý 1 Mpc). Ve volně se rozpínajícím vesmíru se tedy předmět vzdálený 1 Mpc od vás vzdálí rychlostí 70 km/s. Objekt vzdálený 10 Mpc uteče rychlostí 700 km/s atd.

Divné, že? Ale tady se věci dostanou opravdu podivný. Existuje spousta různých způsobů, jak měřit Hubbleovu konstantu. Jedním je to udělat lokálně, při pohledu na blízké galaxie, měřením jejich vzdáleností i rychlostí. Máme spoustu způsobů, jak změřit oba (do kterých se za chvíli dostanu trochu víc). Když to uděláte, získáte Hubbleovu konstantu 73 km/s/Mpc.

Dalším způsobem je podívat se na brzy Vesmír, u věcí velmi vzdálených. Asi 375 000 let po vzniku vesmíru, dostatečně se rozšířil, aby byl transparentní . Bylo ještě horko a dnes, dnes, vidíme to zbytkové teplo prostupující celou oblohou. Jak se vesmír dál rozpínal, toto teplo se ochlazovalo (můžete si to také představit jako světlo z ohnivé koule, která kdy byla rudě posunutý jak se vesmír od nás rozpíná). Nyní to vidíme jako nepřetržitou záři mikrovln, kam se podíváme.

Velmi pečlivým prozkoumáním této záře se můžeme hodně dozvědět o tehdejších podmínkách vesmíru. Můžeme také vypočítat Hubbleovu konstantu také a číslo, které získáte, je asi 67 km/s/Mpc.

Hm. Počkejte. Tato dvě čísla se liší. To je nepříjemné.

To opravdu je. A zhoršuje se to. Všechny místní metody získají vyšší číslo a všechny vzdálené, rané Vesmírné menší číslo. Jako by Vesmír nesouhlasil sám se sebou.

Je to jako stavět most přes kaňon, začínající na obou koncích, jen aby se ti dva nesetkali uprostřed. Trochu mi to připomíná kresbu M. C. Eschera „Belvedere“. Nedává to smysl.

M. C. Escher

Kultovní „Belvedere“ M. C. Eschera, paradoxní budova, kde je perspektiva zkreslována myslí. Kredit: M. C. Escher

Ve skutečnosti, když byla tato čísla poprvé stanovena, nebyla tak daleko, protože nejistota měření byla vysoká. Chvíli jsme Hubbleovu konstantu neznali s faktorem dva. Ale jak se měření zlepšovala, začali jsme je vidět oddělovat.

Tady se věci baví: Nový projekt se snaží přibít místní číslo. Stál v jeho čele starý přítel a studentský kolega Adam Riess (který se podílel na zjištění, že se univerzální expanze zrychluje - více na že také za sekundu - a vydělal nějaké slušné ocenění kvůli tomu). Pomocí Hubblova kosmického dalekohledu se podívali na velmi specifický druh hvězdy, kterému se říká proměnná Cepheid. Tyto hvězdy se v průběhu času rozšiřují a smršťují a jsou stále jasnější a tmavší. Před stoletím bylo zjištěno, že období, doba potřebná k jejich rozjasnění a ztlumení, je vázáno na celkové množství energie, které vydávají.

To je obrovské: Znamená to, že pokud dokážete změřit jejich období, můžete zjistit jejich svítivost. A pak, když změříte, jak jasně vypadají, můžete zjistit jejich vzdálenost ! To je zásadní, protože vidíme cefeidy v jiných galaxiích, což znamená, že nám dávají způsob, jak určit vzdálenosti k těmto galaxiím. Ve skutečnosti to byl Hubbleův tým, který ve 20. letech 20. století určil vzdálenosti k některým blízkým galaxiím.

Riessův tým se podíval v 7 cefeidech v naší vlastní galaxii Mléčné dráhy a měřilo nejen to, jak byly jasné, ale také jejich paralaxu, jejich zjevnou změnu polohy při pohybu Země kolem Slunce (podrobnosti, mohu navrhnout sledovat 'Crash Course Astronomy: Distances' ?). Měřením tohoto posunu za několik let mohou získat velmi přesné vzdálenosti pro tyto hvězdy.

Další výhodou je, že pomocí HST pozorujeme tyto cefeidy v jiných galaxiích, takže se tím všechna pozorování vyrovnávají; je těžší získat vše konzistentní, když používáte různé observatoře.

Jedna z proměnných Cepheid, S Vulpeculae, pozorovaná pomocí HST. Bylo zjištěno, že jeho vzdálenost je 10 124 světelných let od Země. Zápočet: Riess a kol.Přiblížit

Jedna z proměnných Cepheid, S Vulpeculae, pozorovaná pomocí HST. Bylo zjištěno, že jeho vzdálenost je 10 124 světelných let od Země. Ke kalibraci měření vzdálenosti byly použity další označené hvězdy. Kredit: Riess a kol.

Tato nová práce tedy dokázala zpřísnit měření vzdálenosti k těmto cefeidům Mléčné dráhy, které se pohybují zhruba od 5 500 do 12 000 světelných let daleko. Pomocí těchto lepších měření k zavedení vzdálenosti k extragalaktickým cefeidům Riessův tým zjistil, že místní hodnota Hubbleovy konstanty je 73,48 ± 1,66 km/s/Mpc, což je změna o 4% oproti původní hodnotě.

Ale co je důležitější, ve skutečnosti je, že snížili nejistota v této hodnotě, což znamená, že si myslíme, že tato hodnota je přesnější. To zase znamená, že nižší hodnota zjištěná pomocí raných měření vesmíru skutečně je odlišný. Nejde jen o to, že se naše měření třesou; Vesmír nám opravdu říká, že tehdy byly věci jiné. Pravděpodobnost, že to bude kvůli náhodě nebo něčemu, co není skutečné, je asi 1 z 4600. Vezmu tu sázku. To je skutečné.

Co to všechno znamená? Stručně řečeno, znamená to, že vesmír se zdá, že se nyní rozpíná rychleji než v minulosti. Aby bylo jasno, už jsme to věděli : Astronomové zjistili, že univerzální expanze se zrychlovala už v roce 1998 (Riess byl v jednom ze dvou nezávislých týmů, kteří to zjistili). Zdá se však, že tyto nové výsledky naznačují, že zrychlení je ještě vyšší, než jsme si mysleli.

Toto je Hubbleovo ultra hluboké pole a téměř vše, co v něm vidíte, je vzdálená galaxie vzdálená miliardy světelných let. Uznání NASA, ESA, H. Teplitz a M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) a Z.Přiblížit

Toto je Hubbleovo ultra hluboké pole a téměř vše, co v něm vidíte, je vzdálená galaxie vzdálená miliardy světelných let. Kredit: NASA, ESA, H. Teplitz a M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) a Z. Levay (STScI)

Co tedy dělá? že znamenat? To je dobrá otázka, na kterou existuje příliš mnoho možných odpovědí. Je možné, že temná energie, podivná entita za zrychlením, může být silnější, než se očekávalo. Možná to s časem roste; to je myšlenka, která se už nějakou dobu přehazuje. Věc je, že prostě nevíme, co je sakra temná energie je , z čeho je vyroben nebo jak se chová. Tato nová pozorování by mohla pomoci.

Ale může to být ještě něco jiného. Temná hmota hraje také v tomto: Nějaká forma hmoty, o které si myslíme, že nehraje dobře s normální hmotou a světlem, takže ji nelze přímo vidět. Ve vesmíru převyšuje normální hmotu faktorem 5 a my víme, že je venku. Pokud by se ale choval nějakým neobvyklým způsobem, jako by možná jen trochu interagoval s normální hmotou, mohlo by to změnit, jak se vesmír sám postupem času vyvíjí.

Tady je ta věc: Nevíme . To vše je docela nové a posouvá naše zařízení a naše teorie až na samé hranice. To je důvod, proč je to stále přibíjeno. Pamatujte si, že už asi sto let víme, že existují i ​​jiné galaxie, a že expanze se za posledních 20 let zrychluje.

Ale moje nejoblíbenější část na tom všem je, že my vůle přijít na to. To dělají lidé; to dělá věda. Vesmír je docela matoucí místo a naše mozky nejsou ve skutečnosti vyvinuty tak, aby s ním bylo možné přemýšlet. Ale to je vlastně důvod, proč máme vědu, která nám pomáhá porozumět. Spojte to s matematikou, strojírenstvím a naší nezastavitelnou, neukojitelnou zvědavostí a dokonce i samotný vesmír nám dá svá tajemství.

Vesmír se každým dnem rozšiřuje rychleji, ale stejně tak i naše schopnost ho zlomit. Doháníme to.