Мы все еще не знаем, насколько быстро расширяется Вселенная

21 Января 2017 в 19:30, Илья Хель 9 660 просмотров 50

Однажды мы обнаружили, что Вселенная расширяется. После этого следующим научным шагом стало определить скорость или темп этого расширения. Прошло больше 80 лет, но мы до сих пор не договорились по этому вопросу. Глядя на крупнейшие космические масштабы и изучая старейшие сигналы — послесвечение Большого Взрыва и крупномасштабные корреляции галактик — мы получили одно число: 67 км/с/Мпк.

Но глядя на отдельные звезды, галактики, сверхновые и прочие прямые указатели, мы получаем другое число: 74 км/с/Мпк. Неопределенности очень небольшие: ±1 к первому числу и ±2 ко второму числу, и остается статистический шанс меньше 0,1%, что эти числа получится примирить друг с другом. Это противоречие должно было разрешиться уже давно, но упорно держится с тех пор, как впервые было обнаружено расширение Вселенной.

В 1923 году Эдвин Хаббл использовал самый большой в мире телескоп, чтобы поискать новые звезды в других галактиках. Наверное, не стоило бы говорить «галактики», потому что тогда человечество не было уверено в небесных спиралях. Изучая крупнейшую из них — M31, ныне известную как Туманность Андромеды — он увидел первую, а затем вторую и третью новую. Но четвертая появилась в том же месте, что и первая, а это было невозможно, поскольку новые перезаряжаются столетиями или больше. Его новая появилась меньше чем за неделю. Волнуясь, Хаббл зачеркнул первую «N», которую написал, и поверх записал «VAR!». Он понял, что это переменная звезда (variable), и с тех пор появилась физика переменных звезд. Хабблу удалось подсчитать расстояние до Андромеды. Он показал, что она была точно за пределами Млечного Пути и является, очевидно, галактикой. Это было самое прекрасное наблюдение единственной звезды в истории астрономии.

Оригинальная пластинка Эдвина Хаббла, раскрывающая переменную природу звезды в Андромеде.


Хаббл продолжил свою работу, наблюдая за переменными звездами во многих спиральных галактиках. Наряду с их сдвинутыми спектральными линиями, он стал замечать, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Он не только открыл этот закон — известный как закон Хаббла — он был первым, кто измерил скорость расширения: параметр Хаббла. Полученное им число было, впрочем, большим. Очень большим. Настолько большим, что если бы оно было верным, из него следовало бы, что Большой Взрыв произошел всего два миллиарда лет назад. Очевидно, никто бы этому не поверил, поскольку у нас имеются геологические свидетельства того, что одной только Земле больше четырех миллиардов лет.

Композитное изображение западного полушария Земли возрастом в 4 с лишним миллиарда лет.

В 1943 году астроном Вальтер Бааде внимательно наблюдал за переменными звездами за пределами Млечного Пути и заметил нечто невероятно важное: не все переменные цефеиды — тот тип, который Хаббл использовал для определения расширения Вселенной — ведут себя одинаково. Вместо этого их было два разных класса. И внезапно оказалось, что постоянная Хаббла была вовсе не такой большой, как решил Хаббл.

Измерения переменных звезд Вальтера Бааде в Андромеде были важнейшим доказательством существования двух отдельных популяций цефеид и позволили свести параметр Хаббла к более осмысленной величине.

Вместо этого, Вселенная расширялась медленнее, а значит, ей требовалось больше времени, чтобы достичь нынешнего состояния. Впервые Вселенная превзошла Землю по возрасту, и это было хорошим знаком. Со временем, дальнейшие уточнения нарастали, а показатель Хаббла постепенно снижался, тогда как возраст Вселенной продолжал увеличиваться. В конечном счете, возраст даже самых старых звезд утонул в возрасте Вселенной.

Как менялись оценки параметра Хаббла со временем.

На этом история не заканчивается. Знаете, почему космический телескоп Хаббла назвали именно так? Не потому что его назвали в честь Эдвина Хаббла, который обнаружил, что Вселенная расширяется. Скорее, потому что его основной миссией было измерение параметра Хаббла, или скорости, с которой расширяется Вселенная. До запуска телескопа в 1990 году, было два лагеря, выступающих за совершенно разные Вселенные: один под лидерством Аллана Сендиджа и Вселенной со скоростью расширения в 50 км/с/Мпк и возрастом в 16 миллиардов лет; другой под лидерством Жерара де Вокулера и Вселенной с темпом расширения в 100 км/с/Мпк и возрастом под 10 миллиардов лет. Два этих лагеря были уверены, что противоположные лагеря совершают систематические ошибки в своих измерениях, и что нет среднего варианта. Главной научной целью космического телескопа Хаббла было измерение скорости расширения раз и навсегда.

И он ее достиг. 72 ± 8 км/с/Мпк было финальным результатом проекта. Сегодня ошибки или погрешности еще меньше, равно как и напряжение между двумя различными методами. Если посмотреть на Вселенную на самых больших масштабах, на флуктуации космического микроволнового фона и барионные акустические колебания в кластеризации галактик, вы получите число поменьше: 67 км/с/Мпк. Это не самый благоприятный результат, но более высокие значения вполне возможны.

Если взглянуть на прямые измерения отдельных звезд в нашей галактике, а затем на те же классы звезд в других галактиках, а затем на сверхновые сверх того, вы получите большее значение: 74 км/с/Мпк. Но систематическая ошибка в измерениях ближайших звезд, даже ошибка в несколько процентов, могла бы существенно снизить это число даже до самого низкого значения из предложенных. По мере того, как миссия EКА Gaia продолжает производить измерения параллакса с беспрецедентной точностью миллиарда звезд в нашей галактике, это напряжение может разрешиться само по себе.

Сегодня мы знаем скорость расширения Хаббла довольно точно, и два разных метода ее извлечения, похоже, дают противоречивые значения. Прямо сейчас протекает множество различных измерений, каждый лагерь пытается доказать свою правоту и найти ошибки другого. И если история нас чему-либо научила, можно сказать, что мы, во-первых, узнаем что-нибудь новое и любопытное о природе нашей Вселенной, когда этот вопрос разрешится, а во-вторых, этот спор на тему скорости расширения явно не будет последним.

Мы все еще не знаем, насколько быстро расширяется Вселенная

50 комментариев

  1. kirfoton

    Ох уж эта вселенная ... Лично мне за много лет не удаётся понять, какая же форма у этой расширяющейся вселенной ? Форма шара, который увеличивается в диаметре ? Но не похоже на это. Знатоки в интернете мне подсказали, что у вселенной в любой точке центр . Например во все стороны от солнечной системы вселенная простирается на 100 (для примера) млрд. лет. Но проблема в том, что если посмотреть вокруг с самой удаленной от нас галактики то там такая же картина - звезды вокруг на многие миллиарды световых лет. Это ж голову можно сломать ! Ну как понять, что во вселенной ограниченное (конечное) число галактик и центр вселенной в любой галактике ? Это капец какой - то ...

    • leonaft

      kirfoton, Голову не нужно ломать. Мы не сможем понять такие вещи как строение вселенной, у нас просто нет для этого соответствующих частей мозга. Наш трехмерный мозг не способен мыслить дальше четырёх измерений. Но вот просчитать результат мы в состоянии. Ответ будет не логичным и не адекватным. Но он будет, математический. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

      • uran

        leonaft, Да, наше восприятие сродни процессу дискретизации, когда в базу знаний человечества размещают информацию в проекции n-мерного пространства на наше 3.5-мерное, что влечёт информационные потери, а значит искажение действительности. Вот почему так много неоднозначностей и неопределённостей, заткнутых пробками соглашений. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • dawson.white

      kirfoton, А разве из этого не вытекает, что вселенная бесконечна? Раз около любой галактики звезды, и любая галактика центр, значит все бесконечно. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • SpectreForce

      kirfoton, Для начала нужно знать мерность Вселенной, не зная мерности, её форму не представить =) И это не говоря уже о конечности/бесконечности, открытости/замкнутости и т.п.

      Та же история с центром, почему говорят что любая точка - это центр Вселенной? А потому, что в начале была ТОЧКА (согласно теории большого взрыва). Потом эта точка начала растягиваться (расширяться) во все стороны и таким образом возникла Вселенная. И естественно, если этой точке нет ни конца, ни края, то куда не тки, везде будет центр.
      А если Вселенная всё же конечная и не замкнутая, то и центр у неё есть, а как же.

      Представив себе шар, который надувают, можно увидеть как растягивается нарисованная на нём точка. Но! Это будет двумерное пространство. Наша же Вселенная растягивается как минимум в три измерения, и АДЕКВАТНО воспринять всё что больше трёх нам неимоверно тяжело. Мы видим окружающий мир в двумерной проекции и наши мозги просто не заточены на что-то большее чем три измерения. Подробнее, как представить четыре (и больше) измерения тут: https://www.youtube.com/watch?v=Mm9YoAWxPfs

      Вообще, вопрос формы Вселенной можно очень много себе напредставлять и нагадать. Например, учесть искривление пространства-времени чёрной дырой, выглядит это как шип на шаре, провал, или свёртывание в какое-нибудь энное измерение? А может быть Вселенная как лента Мёбиуса, бутылка Клейна или что там дальше? А что, если мы живём в компьютерной симуляции? А что если Вселенные - это черные дыра просто в другом масштабе? Или же наоборот масштаб не уменьшать, а увеличить: когда расширение Вселенной достигнет такой скорости, что атомы уже не смогут удерживать друг друга и всё, что останется, это раздельные субатомные частицы в пространстве, масштаб "увеличится", так, что эти раздельные частицы на расстоянии световых лет от друг друга будут казаться очередным большим взрывом (сверхплотной точкой энергии) и возникнет "новая" Вселенная, которая продолжит расширяться как ни в чём не бывало, создавая всё те же звёзды и планеты, но уже в другом масштабе?

      Если кто и подойдёт к ответу близко так это ИИ. Нам же можно надеяться только на Господа Бога, что он спуститься с небес и ответит на все наши вопросы.

      • kirfoton

        SpectreForce, А что до сих пор мерность вселенной ещё не установили ? Если она трёхмерная не только в пределах солнечной системы, но и даже в масштабе миллиардов световых лет, то что заставляет сомневаться, что она трёхмерна и на больших расстояниях ?

        • SpectreForce

          kirfoton, Ну например, различные теории струн предполагают большее количество пространственных измерений.
          Пока у нас не будет теории всего, нельзя с уверенностью сказать, сколько пространственных измерений в нашей Вселенной. То что мы видим только три ещё ничего не значит.

        • SpectreForce

          kirfoton, Голографическая Вселенная : https://republic.ru/biz/1038891/
          Особенно обрати внимание на упоминание о квантовой спутанности. В 3+1 мерной Вселенной это не может быть одним и тем же объектом, но и передача информации со сверхсветовой скоростью тоже невозможна. Как же быть?

    • Aldo

      kirfoton, Эм, ты что-то больно усложняешь. Мы наблюдаем вселенную из нашей точки и когда говорят про размеры Вселенной, то всегда уточняют – размеры видимой Вселенной. Это одно и то же, как, например, в открытом океане наблюдать горизонт – во всех направлениях вокруг себя ты будешь видеть горизонт, а дальше ты видеть не можешь, потому что Земля круглая и твое восприятие окружающего этим ограничено. Точно так же и со вселенной – мы ограничены скоростью света и наш "горизонт" ограничен тем светом, который успел до нас долететь с момента зарождения. Это не значит что мы видим край Вселенной, это значит то, что дальше мы просто заглянуть не можем. Через пару миллионов лет, например, возможно свет с более отдаленных галактик начнет долетать до Земли и мы расширим границы видимой Вселенной. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

      • SpectreForce

        Aldo, Границы видимой Вселенной уменьшаются, потому что расширяется она быстрее чем свет от дальних галактик долетает до нас. Со временем все галактики отдаляться от нас за пределы видимой Вселенной.

        • Aldo

          SpectreForce, Да, вы правы, почитал вот сейчас про это, вот только пишут что со временем постоянная расширения уменьшается и каким-то образом свет все равно достигает всех участков Вселенной, хотя я честно говоря это не очень понял, там сложно объясняли про неравномерность течения пространства и всё такое. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

          • SpectreForce

            Aldo, Не знаю, что вы там читали, но последний раз когда я проверял, расширение Вселенной ускорялось.

            • Aldo
              • SpectreForce

                Aldo, Так если это правда, то со временем расширение Вселенной прекратится?

                • Aldo

                  SpectreForce, Нет, речь там в конце вовсе не об этом, галактики исчезнут. Он пытается что-то сказать про то, что свет все равно доходит, но непонятно что-то там)) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                  • SpectreForce

                    Aldo, Он говорит, что расширение Вселенной замедляется. Смотри, на каждый мегапарсек Вселенная расширяется со скоростью 71 км/с. Со временем эта цифра снизится и это будет уже 60, потом 50 и так до 0, нет?
                    Да, галактики всё равно удаляются от нас с увеличивающимся ускорением, но это потому, что кол-во мегапарсеков увеличивается и этот фактор влияет на отдаленные галактики больше чем константа. Но когда константа уменьшится очень сильно расширение начнёт замедляться, а при 0 остановится.

                    • Aldo

                      SpectreForce, Не уверен что он именно это говорит, но Бог с ним. Вообще, мне тут мысля пришла) Теоретически, мы должны наблюдать красное смещение только в том случае, если галактики на самом деле удаляются от нас. Поясню. Расширение вселенной – несколько иная штука, чем просто удаление галактик, по мнению физиков. А именно, это расширение пространства в целом. Они делает аналогию с воздушным шаром, который надувают – дескать всё остаётся более-менее на своих местах, но "разбегается". Вот мне тут и подумалось, что, по логике, свет должен проходить одни и те же участки материи-пространства за определенный промежуток времени. Соответственно, расширение пространства никак не должно влиять на смещение спектра – только если это не реальное удаление галактики относительно той части пространства, в котором она пребывала в предыдущий момент. Понимаете?) Это как расширить линейку – расстояние между делениями будет увеличиваться, но скорость света будет по-прежнему условно 2см/сек и никакого смещения спектра. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                      • SpectreForce

                        Aldo, С красным смещение всё довольно просто. Чем оно больше тем дальше от нас находится галактика. Есть два фактора красного смещения: первый - это собственно скорость перемещения галактики в пространстве, не знаю на сколько он значим по сравнению с вторым - расширением Вселенной. При расширении длина волны фотона увеличивается, считай растягивается =) Поэтому чем больше расстояние пролетел фотон, тем более "вытянутая" у него волна (тем больше он покраснел)

                        • Aldo

                          SpectreForce, Я знаю что такое красное смещение) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                          • SpectreForce

                            Aldo, "расширение пространства никак не должно влиять на смещение спектра"
                            Очевидно, что не знаешь.
                            Пишешь о каких-то прохождениях одних и тех же участков пространства-времени. Свет не летит частицей, с расширением пространства увеличивается длина электромагнитной волны в этом пространстве.

                            • Aldo

                              SpectreForce, Эм, вообще-то космологическое красное смещение не связано вообще с эффектом Допплера – в этом-то и весь смысл. Советую вам почитать сначала статейку какую-то на этот счёт. Вообще там много парадоксов с расширением вселенной и постоянной Хаббла. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                            • Aldo

                              SpectreForce, Другими словами космологическое красное смещение не имеет ничего общего с длиной волны, я говорил про эффект Допплера, который не должен появляться при расширении пространства и он не появляется, иначе бы не вводили крутую и сложную постоянную Хаббла, которая рассчитывает "старение" света по числу совершенных фотоном колебаний. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                              • SpectreForce

                                Aldo, Что мне читать, я это всё прекрасно знаю. Я не телепат, чтобы знать, что ты имеешь в виду, космологическое красное смещение или эффект Доплера. И я не говорил, что они как-то связаны. Я их наоборот разделил, но оба они влияют на длину волны фотона.
                                И опять же, в который раз, космологическое красное смещение имеет прямое отношение к длине волны прилетевшего фотона. Или ты думаешь почему его называют красным смещением?
                                Свет не "стареет", это прошлый век, перед ним был век эфира, а ещё раньше век философского камня.

                                • Aldo

                                  SpectreForce, Ну хорошо, какой в таком случае смысл вводить все эти сложные составляющие закона Хаббла, если по сути имеем эффект Допплера? И почему расстояние рассчитанное по эффекту Допплера не соответствует расстоянию рассчитанному с помощью закона Хаббла? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                                  • SpectreForce

                                    Aldo, Прочитай в википедии, что они из себя представляют, это разные вещи, соответственно разные формулы, но оба увеличивают длину волны (или уменьшают)

                                    • Aldo

                                      SpectreForce, Видимо до меня трудно доходит, потому что после прочтения нескольких статей я так и не понял, каким таким образом сначала измерили скорость расширения Вселенной (опять же судя по всему по обсуждаемым эффектам), а после сделали из этого константу, с помощью которой высчитывают расстояние (!) до удаленных объектов. И почему по формуле закона Хаббла мы узнаем скорость удаления объекта, когда в формуле используется постоянная планка, которая уже включает в себя скорость удаления всех объектов друг от друга. Мне это кажется абсурдным и больше всего напрягает что нет нигде внятного объяснения. Но я не физик, поэтому оставлю это всё людям более одаренным. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

                                      • SpectreForce

                                        Aldo, Расстояние можно определить не только по красному смещению. Нашли взаимосвязь, вот и считают теперь.
                                        А что абсурдного с законом Хаббла я не понимаю. Если постоянная Хаббла это скорость удаления объектов на 1 мегапарсек, то чтобы узнать скорость удаления галактики, нужно постоянную умножить на кол-во мегапарсеков. Где алогизм?

                                        • Aldo

                                          SpectreForce, Ну, в итоге да. Но изначально чтобы найти постоянную нужно было вычислять расстояние и скорость. В итоге, как они вычислили правильно расстояние, если, во первых, судя по инфе, эффект Допплера и результаты, рассчитанные по красному смещению, разнятся, а во вторых чтобы вычислить расстояние по красному смещению, нужно использовать постоянную Хаббла, которая уже обсуждали из чего состоит. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Parsek

      kirfoton, В тексте наверху в первой же фразе грубая ошибка. И вы тоже эту ошибку повторяете. Никто не обнаруживал, что вселенная расширяется! Никто! Просто, по своему скудоумию человеки решили, что кр. смещение в спектре не что иное как отображение скорости перемещения источника излучения. Здесь однозначно подразумевалось. что мы все законы вселенной знаем и других вариантов не может быть по определению. Вот здесь то и создали "западню" в которую сами же и попали!

  2. tabasko

    А по мне так это станет проще понять когда тёмная материя наконец получит определение в физике, и расширение примут за смещение опредёлённой части вселенной. И то что мы не в центре это вам любой астролог скажет. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  3. leonaft

    Вы забываете про многомерность. Нами не изученное пространство-время - вот камень преткновения и не понимания. Представьте, что каждую секунду вселенная делится на ответвление иных событий, и ответвленные вселенные так же делятся. И всё это с момента "взрыва". Пульсирующее, ежесекундное, подобно взрыву, деление вселенной на разные события. Попробуйте представить, что время и его течение, существует только для нас. Для всех остальных оно либо недостижимое понимание, либо понятная вещь, как для нас материя. Попробуйте представить, что мы не живем в течении времени, а наш разум читает его как книгу. А время само по себе уже случилось, с момента взрыва, до момента распада. Все это не возможно представить и постичь нашим физическим мозгом, он на это не способен. Постичь это - значит умереть и выйти из рамок физического восприятия мира. Умирает тело, разум вечен. Так же сложно себе представить, что по сути ничего не существует, кроме того что анализируют органы тела, а они анализируют движение атомов и частиц, которые как доказали ученые, пустые внутри и не из чего не состоят. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

    • uran

      leonaft, Взрыва не было :) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

      • unkn0wn

        uran, Потому что Вы его не видели? :)

        • spl43

          unkn0wn, возможно потому что он не повторяется и исключены условия для нового.

          • unkn0wn

            spl43, Ну например можно предположить что условия для будущего взрыва формируются прямо вот сейчас, и что он таки повторится, и не обязательно через сжатие, а будет вроде нового слоя абстракции в котором будут говорить о "большом взрыве". Просто с текущего положения это не очень понятно.

            • SpectreForce

              unkn0wn, Согласен, никто не знает, что было до большого взрыва и как он появился, я выше написал пару примеров, но уверен существует ещё как минимум десяток различных гипотез на эту тему.

      • leonaft

        uran, взрыва не было, забыл дописать :)

        • BARM

          leonaft, За базар ответишь? :)

        • andreyking

          leonaft, взрыв был,он и скоро опять будет,что если по теории вселенная бесконечна и жизнь тоже бесконечна,может вселенная уже рождается миллиарды лет и все повторяется,ученные изобрели коллайдер,произошел большой взрыв и все идет по новому кругу-обоснование тому пирамиды хеопса,эффект дежавю,что если творцы вселенной люди и вселенная как и жизнь перевернутая восьмерка и все повторяется?!пройдет 15 миллиардов лет родишься заново и даже не заметишь что прошло столько времени и опять будешь размышлять о вселенной,человечество живет до определенного времени,само создает и само же разрушает

          • andreyking

            andreyking, и все повторяется ,все повторяется а боги смеются над нами что нам не дано этого познать никогда))

  4. Zarb

    "Мы все еще не знаем, насколько быстро расширяется Вселенная" Более того, ученый до сих пор не знают точно расширяется ли она вообще.

  5. Aldo

    Мне одному непонятна единица измерения км/с/мпк? Разве это не то же самое, что сказать, например, 100 м/с/км? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • SpectreForce

      Aldo, На каждый мегапарсек скорость расширения увеличивается на 100 км/с. Ну да вы уже и сами нашли ответ на свой вопрос =)

      • Aldo

        SpectreForce, Ну я уже нашёл инфу, да. А именно, две галактики, разделенные друг от друга расстоянием в 1 мегапарсек, расходятся с установленной в статье скоростью. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  6. matva

    Дайте определение "время" - что есть время для вселенной?
    Только не надо оперировать секундами, часами и годами...

  7. Хутор

    Если принять мнение, что Вселенная имеет форму тороида, то вопрос ускоряющегося расширения Вселенной отпадет быстрее.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.