Nakon Velikog praska, Svemir je bio gotovo savršeno ujednačen, pun materije, energije i zračenja u brzo rastućem stanju. Kako vrijeme prolazi, svemir ne samo da stvara elemente, atome i molekule koje se skupljaju i skupljaju, vodeći do zvijezda i galaksija, već se širi i hladi cijelo vrijeme. (NASA / GSFC)

Kako se svemir proširio na 46 milijardi svjetlosnih godina u samo 13,8 milijardi godina?

Ako mislite da se proširio brže od brzine svjetlosti, ovo morate pročitati.

Ako je Svemir star 13,8 milijardi godina, a brzina svjetlosti je doista naša kozmička granica brzine, koliko bismo daleko mogli vidjeti? Odgovor se čini očitim: 13,8 milijardi svjetlosnih godina, budući da je svjetlosna godina razdalja na koju svjetlost može prijeći u godinu dana, i ništa ne može prijeći brže od toga.

Nažalost, poput velikog broja odgovora koji izgledaju očigledno kada primijenite svoj logični zdrav razum, to ne funkcionira kako stvari zapravo funkcioniraju. U stvarnosti, ako biste pogledali najudaljeniju stvar koju ste mogli vidjeti i pitali "koliko je daleko", odgovor je daleko udaljeniji od toga: 46 milijardi svjetlosnih godina. To možda zvuči nemoguće, ali nije. Jednostavno morate proširiti svoj način razmišljanja.

Izvorna koncepcija prostora, zahvaljujući Newtonu, kao fiksnoj, apsolutnoj i nepromjenjivoj. To je bila faza u kojoj bi mase mogle postojati i privlačiti. (AMBER STUVER, OD NJEGA BLOGA, ŽIVI LIGO)

Tradicionalno, način na koji najčešće razmišljate s udaljenosti je uzimanje dvije točke i crtanje između njih. To je nešto što učimo da radimo kao djeca i budemo s nama u odrasloj dobi. U većini aplikacija to nije problem, bilo da koristimo ravnalo, odometriju ili svjetlosni sat: mjerenjem količinu vremena potrebnog za svjetlosni signal da krenemo u jednom ili jednosmjernom putovanju.

Ali ova pretpostavka nije strogo valjana kada je u pitanju Univerzum. Udaljenost nije nužno definirana pravom, niti te udaljenosti s vremenom ostaju iste. Razlog za to je nešto o čemu ne razmišljamo u svom svakodnevnom iskustvu: prostor nije ravan, a također je neraskidivo povezan s vremenom, u obliku prostora-vremena.

Gravitacijsko ponašanje Zemlje oko Sunca nije posljedica nevidljivog gravitacijskog povlačenja, već je bolje opisano Zemljom koja pada slobodno kroz zakrivljeni prostor kojim dominira Sunce. Najkraća udaljenost između dviju točaka nije ravna, već geodetska: zakrivljena linija definirana gravitacijskom deformacijom prostornog vremena. (LIGO / T. PYLE)

Dio "prostor nije ravan" možda je lakše razumjeti. Kad razmišljate o tome da se Zemlja vrti oko Sunca, vjerojatno razmišljate o njoj na isti način kao što je to činio Newton: u smislu nevidljive, privlačne sile koja djeluje iz jednog objekta (Sunca) na drugi (Zemlju).

To je način na koji smo stoljećima razmišljali o gravitaciji, a doslovno je trebalo geniju na razini Einsteina da nadiđe nju. Nije da masa na određenoj udaljenosti uzrokuje silu, već je ta masa energija, a energija uzrokuje da krilo Svemira zakrivi. Tkanina Univerzuma nije samo prostor, već količina poznata kao prostor-vrijeme, gdje bilo tko i bilo što u njemu doživljavaju prostor i vrijeme zajedno, ovisno o tome kako se kreću u odnosu na sve ostalo u Svemiru.

U Svemiru koji se ne širi, možete ga napuniti materijom u bilo kojoj konfiguraciji koju želite, ali uvijek će se srušiti do crne rupe. Takav je svemir nestabilan u kontekstu Einsteinove gravitacije i mora se širiti kako bi bio stabilan, ili moramo prihvatiti njegovu neizbježnu sudbinu. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Jedna od stvari koju saznajemo o Univerzumu kojim upravljaju Einsteinovi zakoni - Opća relativnost - je da on ne može biti ni statičan ni stabilan ako ima materiju u njemu. Univerzum koji je statičan i gdje se cjelokupna tkanina prostora ne mijenja s vremenom, mogao bi imati problema ako stavite materiju u njega. S vremenom bi se ta materija gravitacijski privukla i privukla bi se jednoj točki. U statičkom Univerzumu ispunjenom materijom postoji samo jedna moguća sudbina: spuštanje u crnu rupu.

Ne brini; to nije naša sudbina

Model „kruh od grožđica“ u svemiru koji se širi, gdje se relativne udaljenosti povećavaju kako se prostor (tijesto) širi. Što su daljnje dvije grožđice jedna od druge, to će veći promatrani crveni pomak biti s vremenom primanja svjetlosti. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Budući da naš Svemir radi jedinu stvar koju on može spriječiti: širi se. Najbolji način da zamislite Univerzum je kao kruh od tijesta u nekoj gravitacijskoj pećnici, gdje se tijesto puni grožđicama.

Svaka pojedinačna grožđica predstavlja gravitacijski vezanu strukturu u Svemiru: zvjezdani grozd, galaksiju, skupinu galaksija ili nešto još veće. Svaka grožđica također nije povezana s bilo kojom drugom grožđicom; oni su dovoljno udaljeni da ih gravitacija neće okupiti, čak i ako im se pruži beskrajna količina vremena.

Zašto? Jer se tijesto diže. A to tijesto predstavlja tkaninu prostornog vremena. Kako vrijeme prolazi, svemir se širi, a čini se da se daleke grožđice (galaksije) odmiču jedna od druge.

Analog balona / kovanice za svemir koji se širi. Pojedinačne strukture (kovanice) se ne šire, već se udaljenost između njih događa u svemiru koji se širi. To može biti vrlo zbunjujuće ako inzistirate na pripisu prividnog kretanja objekata koje vidimo njihovim relativnim brzinama kroz prostor. U stvarnosti, to je prostor među njima koji se širi. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

To je ključna točka koju većina ljudi toliko teško razumije. Širenje Svemira nije u brzini. Svemir se ne širi brzinom svjetlosti, brzinom zvuka ili nekom drugom brzinom. Ako biste pogledali grožđicu koja je blizu vas, činilo bi se da se odmače relativno sporo, a svjetlosni signal koji vam je poslan od vas trebalo bi vam samo malo vremena da stignete tamo. Ali ako biste pogledali grožđicu koja je bila daleko udaljenija, činilo bi se da brže savija. Svjetlosni signal koji vam je poslan od vas trebalo bi vam mnogo vremena da stignete tamo.

Razlog je taj što širenje Svemira ovisi o tome koliko je objekt udaljen od vas. To nije brzina; brzina je po jedinici udaljenosti.

Zračenje postaje crveno-pomaknuto kako se svemir širi, što znači da je bio energičniji u prošlosti svemira, s većom količinom energije po fotonu. Da li Svemirom dominira materija ili zračenje, nije važno; crveni pomak je stvaran. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

To je razlog zašto, kada govorimo o izmjerenoj brzini širenja svemira - što ponekad nazivamo i Hubble konstantom - dolazi zajedno s tako čudnim, stranim vrijednostima: nešto poput ~ 70 km / s / Mpc. To nam govori da je za svaki megaparsec (Mpc, ili oko 3,26 milijuna svjetlosnih godina) galaksija udaljena od bilo koje druge galaksije, čini se da se smanjuje brzinom od 70 km / s.

Dakle, ako je objekt trenutno udaljen 100 Mpc od nas, čini se da se udaljava brzinom od 7000 km / s.

Ako je objekt udaljen 4,300 Mpc od nas, čini se da se odmiče brzinom od oko 300 000 km / s ili brzinom svjetlosti.

A ako je objekt udaljen 14,100 Mpc od nas, čini se da se odmaknuo brzinom od oko 987 000 km / s, što je suludo velik broj.

Odnos udaljenosti / crveni pomak, uključujući najudaljenije predmete svih, promatrano iz njihovih supernova tipa Ia. Podaci izrazito favoriziraju svemir koji se ubrzava. Imajte na umu kako se sve ove linije razlikuju jedna od druge, jer odgovaraju Univerzumima koji su napravljeni od različitih sastojaka. (NED WRIGHT, temeljeno na najnovijim podacima iz Betolea ET AL.)

Ali stalno kažem nešto što bi vam moglo uslikati: čini se da se ti predmeti odmiču od nas tim brzinama. U stvarnosti se i sami predmeti ne kreću, baš kao što se grožđice ne kreću u odnosu na tijesto u kojem se nalaze. Umjesto toga, ono što se događa je da se tkanina svemira sama širi, a svjetlost koja dolazi iz tih predmeta rasteže se - na veće, crvene valne duljine - kako se svemir širi.

To je razlog zašto govorimo o crveni pomak udaljenih objekata: jer se njihova svjetlost rasteže kako se tkanina Univerzuma širi. Upravo je tvar i gustoća energije Univerzuma taj koji određuje kako se brzo Svemir širi, a mi moramo zbrojiti sve različite vrste energije, uključujući neutrine, zračenje, tamnu tvar i tamnu energiju da bismo dobili pravi odgovor.

Nisu jednostavno to što se galaksije udaljavaju od nas što uzrokuje crveni pomak, nego prostor između nas i galaksije preusmjerava svjetlost na svom putovanju s one daleke točke do naših očiju. To utječe na sve oblike zračenja, uključujući i ostatak sjaja iz Velikog praska. (LARRY MCNISH / RASC KALGARNI CENTAR)

Danas nam svjetlost dolazi od svih vrsta različitih predmeta na raznim udaljenostima. Objekti koji su 13,8 milijardi svjetlosnih godina udaljeni od nas sada su bili mnogo bliži u dalekoj prošlosti. Kad su prvi put emitirali svjetlost koja dopire do nas, to se dogodilo u vrijeme koje je već bilo prije nekoliko milijardi godina. Ta galaksija možda je trenutno udaljena 13,8 milijardi svjetlosnih godina, ali svjetlo nije trebalo da putuje 13,8 milijardi godina da bi stiglo do nas; putovao je kraću udaljenost i kraće vrijeme.

U stvari, danas možemo vidjeti predmete koji su danas udaljeniji od 13,8 milijardi svjetlosnih godina, a sve zbog činjenice da se tkanina Svemira širi.

Pa što ćemo učiniti ako želimo znati koliko je svemir koji se može promatrati? Moramo postaviti sljedeće pitanje:

S obzirom na sve što znamo o svemiru koji se širi i koje su različite količine svih različitih vrsta energije koje se nalaze u njemu, koliko bi jedan objekt bio danas da je njegovo svjetlo tek sada, koje stiže nakon puta od 13,8 milijardi godine?

Ako se bavite matematikom, dobit ćete nevjerojatan odgovor: 46 milijardi svjetlosnih godina. (Ili 46,1 milijardu svjetlosnih godina ako želite biti još precizniji.) Da je naš Svemir imao više mračne energije i manje materije, odgovor bi bio malo širi; ako bi Svemir imao više materije i manje tamne energije, odgovor bi bio nešto manji. Ali to je kako ćemo doći do ruba promatranog Univerzuma.

Unutar promatranog Svemira (žuti krug) nalazi se oko 2 trilijuna galaksija. Galaksije više od trećine puta do granice onoga što možemo promatrati nikada ne mogu biti dosegnute zbog širenja Svemira, ostavljajući samo 3% svemira Svemira otvorenom za istraživanje ljudi. Međutim, i dalje možemo vidjeti galaksije, osim što smo ih ograničili ako ih vidimo u prošlosti. (WIKIMEDIA COMMONS KORISNICI AZCOLVIN 429 I FRÉDÉRIC MICHEL / E. SIEGEL)

To ne znači da možemo postići sve u onom dijelu Univerzuma koji možemo vidjeti! Najudaljeniji dijelovi svemira vidljivi su samo u najranijim fazama. U stvari, sve što je udaljenije od oko 4.300 Mpc (ili 14 milijardi svjetlosnih godina) danas je na granici koliko daleko možemo doći brzinom svjetlosti. Objekt udaljeniji od toga još uvijek možemo vidjeti, ali samo onakav kakav su bili u prošlosti; slično, mogu nas vidjeti samo onakve kakve smo bili u prošlosti. Netko udaljeniji od nas 14 milijardi svjetlosnih godina, čak i s beskonačno snažnim teleskopom, nikad nije mogao promatrati ljudsku civilizaciju kao što je to danas na Zemlji.

Grafikon veličine / razmjera promatranog Svemira nasuprot prolasku kozmičkog vremena. Ovo je prikazano na ljestvici zapisnika dnevnika, s prepoznavanjem nekoliko glavnih prekretnica veličine / vremena. Imajte na umu ranu eru kojom dominiraju zračenje, nedavno razdoblje kojim dominiraju materija i sadašnje i buduće razdoblje u kojem se eksponencijalno širi. (E. SIEGEL)

Činjenica da možemo vidjeti Svemir koji mi radimo govori nam da se on mora širiti, fantastično podudaranje teorije i promatranja. To nam također govori da možemo ekstrapolirati natrag u vrijeme u onoj ranoj fazi koliko želimo i pronaći sve vrste zanimljivih koraka koji se događaju što se tiče veličine Svemira u usporedbi s njegovom dobi. Kad je Svemir bio star milijun godina, njegov je rub već bio udaljen nekih 100 milijuna svjetlosnih godina. Kad je bila samo godina dana, mogli smo vidjeti gotovo 100.000 svjetlosnih godina. Kad je bila samo milisekunda, već smo se mogli vidjeti na svjetlosnu godinu u svim smjerovima.

I danas, 13,8 milijardi godina nakon Velikog praska, najdalje što smo mogli vidjeti, a odgovara svjetlu emitiranom u prvom trenutku Velikog praska, udaljeno je 46,1 milijardi svjetlosnih godina. S obzirom na sadržaj našeg Svemira, nije se moglo drugačije ispasti.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.