החידה הקוסמולוגית של קצב ההתרחבות של היקום

תמונה זו של שריד הסופרנובה מסוג 1a 0509-67.5 צולמה באמצעות נתונים מטלסקופ החלל האבל של נאס

תמונה זו של שריד הסופרנובה מסוג 1a 0509-67.5 צולמה באמצעות נתונים מטלסקופ החלל האבל של נאס'א וממצפה הרנטגן של צ'אנדרה. ניתוחים של סופרנובות מסוג 1a הביאו אסטרונומים למסקנה שהתרחבות היקום מאיצה, מונעת על ידי כוח מסתורי הנקרא אנרגיה אפלה. (אשראי תמונה: נאס'א, א.ס.א., ושייפר וא. פגנוטה (אוניברסיטת מדינת לואיזיאנה, באטון רוז '); נאס'א, ESA, CXC, SAO, צוות מורשת האבל (STScI/AURA), ג'יי יוז (אוניברסיטת רוטגרס) )



פול מ. סאטר הוא אסטרופיסיקאי ב אוניברסיטת מדינת אוהיו , מארח של תשאל איש חלל ו רדיו חלל ומחבר ' המקום שלך ביקום. סאטר תרם מאמר זה קולות המומחים של guesswhozoo.com: עדכון ותובנות .



בשנות העשרים אסטרונום אדווין האבל גילה משהו פורץ דרך מוחלט וחסר תקדים בהיסטוריה של האנושות כולה. הוא גילה שהיקום שלנו חי. זה דינאמי, משתנה, מתפתח עם הזמן.

היקום שלנו היה שונה בעבר ויהיה שונה בעתיד. וההבדל הזה נובע מהתרחבות. עם הזמן, גלקסיות בממוצע מתרחקות מאיתנו ומתרחקות זו מזו. אנו חיים ב- יקום מתרחב . אבל כמה מהר הוא מתרחב היום? אסטרונומים נאבקים עם התשובה הזו מכיוון שטכניקות שונות נותנות תוצאות שונות, והפתרון לבעיה זו עשוי לבוא בצורה של פיזיקה חדשה לגמרי. או שאולי אנחנו פשוט טועים במשהו. קשה לומר.



קָשׁוּר: היקום: המפץ הגדול עד עכשיו ב -10 צעדים פשוטים

דבק תיאורטי

אנו מבינים את התרחבות היקום באמצעות תורת היחסות הכללית של איינשטיין. כך גם אנו מבינים את כל אינטראקציות הכבידה ביקום האמור. תורת היחסות הכללית מחברת את הכמות וסוגי הדברים שיש לך בחלל עם עיוותים של המרחב הזה, מה שמעורר עיקולים וקפלים ותכונות. ואז הגיאומטריה של זמן-מרחב אומרת לכל הדברים איך לזוז. ווילה: כוח הכבידה.

היקום עשוי בהגדרה מחומרים, ולכן הוא כפוף לתורת היחסות הכללית. הכמות וסוגי הדברים בקנה מידה גדול מעידים על מרחב-זמן כיצד להתכופף באותם קשקשים גדולים, וכיפוף של מרחב-זמן אומר את כל העניין כיצד לנוע. אז מרכיבי היקום משפיעים על קצב ההתרחבות. ובנקודות שונות בהיסטוריה הקוסמית, מרכיבים שונים היו האחראים; היקום בנוי מדברים רבים כמו חומר רגיל, קרינה, חומר אפל ואנרגיה אפלה. במהלך 13.8 מיליארד השנים האחרונות, חלקם היו דומיננטיים יותר מאחרים, והשפיעו על קצב ההתרחבות באותה תקופה מסוימת.



משוואות היחסות הכללית נותנות לנו את הדבק לעבור מהרכיבים ברגע אחד של זמן קוסמי לקצב ההתרחבות באותה תקופה או להיפך, לעבור מקצב ההתרחבות באותו הזמן אל המרכיבים. זהו קסם המשוואות: הן הולכות לשני הכיוונים של סימן השוויון. המשמעות היא שקוסמולוגים יכולים לצאת או לנסות למדוד את קצב ההתרחבות ישירות, או לנסות למדוד את המרכיבים ישירות ולחשב את קצב ההתרחבות.

קָשׁוּר: בתמונות: הרחבת היקום נחשפת על ידי קווזרים ועדשות קוסמיות

תמונת תינוק

אחד הכלים הטובים ביותר שלנו למדידת מרכיבי היקום הוא רקע המיקרוגל הקוסמי. זוהי קרינת השאריות מאז שהיקום היה רק ​​בן 380,000 שנה. זהו דיוקן תינוקות של כל הקוסמוס כולו. האור הזה שוחרר מזמן, והוא הפליג בחלל החלל עד שפגע בגלאינו כמו לוויין הפלאנק באירופה, שמדד במדויק מאוד את רקע המיקרוגל הקוסמי לפני כמה שנים.



מתוך דיוקן זה אנו מסוגלים למדוד במדויק את המרכיבים ביקום. כמה חומר נורמלי, כמה חומר אפל, כמה נייטרינונים, כמה קרינה וכן הלאה. עם מרכיבים אלה ביד, אנו יכולים לחבר אותם ליחסות הכללית כדי לספר לנו את התנהגות היקום. אז נוכל להריץ את השעון קדימה מפליטת הרקע המיקרוגל הקוסמי לאורך כל 13.8 מיליארד שנות ההיסטוריה ועד היום ולחזות מהו קצב ההתרחבות כרגע.

הצד הפוך של רקע המיקרוגל הקוסמי הוא שמדובר במאגר נתונים נקי במיוחד עם שפע של תצפיות שנעשו בו. זה אוצר יושב שם בשמים. אבל למרות שהוא נותן לנו תמונה מדויקת מאוד של היקום כשהיה תינוק, עלינו להשתמש במודלים כדי לנסות להבין מהו היקום כמבוגר. ובכל זאת, זוהי גישה די שנויה במחלוקת, כך שהמספר שהיא נותנת עבור קצב ההרחבה כיום צריך להיות מדויק מאוד.

יוצאים בחבטה

וזה מאוד מדויק, אבל זה גם לא מסכים עם מדידות אחרות. שהיא סוג של בעיה.

יש לנו דרכים למדוד ישירות את קצב ההתרחבות של היקום סביבנו, מה שאומר שיש לנו דרכים למדידה ישירה של קצב ההתרחבות כיום. אנו מודדים זאת באמצעות סופרנובות מסוג 1A, סוג מסוים של פיצוץ אסון שיש לו כמה תכונות מאוד משכנעות ושימושיות.

ראשית, סופרנובות מסוג 1A בהירות מאוד ומאפשרות לנו לראות אותן במרחק של מיליארדי שנות אור. מצד שני, הם לא נדירים מדי, כך שנוכל לראות אותם קופצים לעתים קרובות למדי. שלישית, יש לנו דרכים להעריך את הבהירות האמיתית שלהן (כמו בהירות שתקבל אם היית עומד ממש מול אחת מהן), ואנו יכולים להשוות את זה לבהירות שאנו רואים בשמיים שלנו ולהשתמש בה לחישוב מרחק. לאחר מכן, על ידי התבוננות ב הזזה אדומה מתוך הגלקסיות המארחות את הסופרנובות, אנו יכולים לבנות מערכת יחסים בין מרחק למהירות הרחק מאיתנו. זהו קצב ההתרחבות (הידוע גם בשם קבוע האבל או קצב האבל, לכבוד הבחור שניסה בפעם הראשונה לפצח אותו).

למדידות הסופרנובה יש את היתרון של דילוג על כל עבודת תורת היחסות הכללית ופשוט מדידה ישירה של הדבר שמעניין אותנו. ובעוד סופרנובות מסוג 1A טובות מאוד במתן מדידות, הן אינן מושלמות. הם לא בדיוק סטנדרטיים ואמינים כפי שהיינו רוצים, כלומר צריך הרבה הזעה ועבודה כדי לעשות כמיטב יכולתנו כדי לחשב את מרחקם במדויק.

ובכל זאת, אסטרונומים הם מאוד חכמים ובעלי תושייה, כך שהם מסוגלים לפתור את כל זה. אבל המספר שהם מקבלים גבוה מזה שנחזה מרקע המיקרוגל הקוסמי. זה לא שונה בהרבה - רק בכמה אחוזים הנחה - אבל אנחנו כל כך טובים במדידת הערכים האלה בימינו וחוסר הוודאות כל כך קטן עד שהחלוקת ניכרת ובלתי ניתנת לכיבוד.

גדול. עכשיו מה?

קָשׁוּר: היקום מתרחב כל כך מהר שאולי נצטרך פיזיקה חדשה כדי להסביר זאת

מתחים גוברים

קוסמולוגים היו בעבר במקום הדביק הזה. עוד בשנות ה -80 וה -90, כמה קבוצות של אסטרונומים ניבאו התרחבות של האבל גדולה פי שניים מאשר תחזיות אחרות. ההחלטה הגיעה באמצעות יותר נתונים. ככל שלמדנו יותר על היקום, הקבוצה בקצה הגבוה התחילה להוריד את מספרם והקבוצה בקצה הנמוך החלה להעלות את מספרם. בסופו של דבר הם נפגשו, והתעוררה הרמוניה חיננית.

האם אנו נמצאים באותו מצב היום? האם נתונים נוספים יגרמו לאט ולכאוב למספרים אלה עד שהמחלוקת תיעלם? אולי. או שלא.

אין ספק שאף קבוצה של אסטרונומים לא תודה בשגיאות מזעזעות בשיטות או בניתוח שלהם. אז עד שנכנסים נתונים נוספים, הדבר היחיד שנותר לבחון הוא הדבק, התיאוריה שלנו שמחברת את תצפיות היקום המוקדמות ברקע המיקרוגל הקוסמי לתצפיות המודרניות של קצב ההתרחבות.

היחסות הכללית עצמה היא די בלתי ניתנת לערעור בימים אלה, במיוחד עם המבחן שסיפק לאחרונה קילונובה של מיזוג כוכב נויטרונים מה שהציב את הקיבוש כמעט בכל ניסיון לעבור את מגנום האופוס של איינשטיין. המשמעות היא שעלינו להסתכל על המרכיבים במתכון, ולא על המתכון עצמו, על אשם, ואחד ממיכוני המפתח כאן הוא טיבה של אנרגיה אפלה.

כשהרקע המיקרוגל הקוסמי שוחרר, האנרגיה האפלה לא הייתה שחקנית. פשוט לא הייתה לו מספיק נוכחות כדי להשפיע על ההיסטוריה הקוסמית, אך כיום הוא שחקן הכוח העיקרי של הקוסמוס, השולט ביקום שלנו ומאיץ את התפשטותנו. אם נניח שאנרגיה אפלה תמיד הייתה זהה לאורך זמן, אז נקבל את הפער שאנו רואים. אם נאפשר שונות מסוימת באופי האנרגיה האפלה לאורך זמן, אז נוכל להסביר את ההבדלים במדידות. אבל כשאנחנו מנסים את זה, המודלים הופכים להיות הרבה יותר לא בטוחים, ואין לנו עדיין מספיק תצפית כדי להתקשר בצורה כזו או אחרת.

כמובן שאין לנו מושג מהי אנרגיה אפלה. ואין לנו מושג אם זה באמת משתנה עם הזמן. יהא הפתרון אשר יהיה, במקרה זה עלינו בהחלט לעבור את הגבולות של מה שאנו מבינים כיום לגבי פיזיקה בסיסית. האם המתח הזה בתצפיות קוסמולוגיות יכול להיות הסדקים הראשונים שמכניסים את האור להבנה חדשה? או שנצטרך להתעסק עוד כמה עשורים, רק כדי להבין שזה היה עוד פגם שגרתי בניתוח שלנו? רק הזמן יגיד.

כמו כן, הרבה יותר נתונים יעזרו.

  • גלי כבידה יכולים לפתור חידה קבועה של האבל
  • 'אנרגיה כהה מוקדמת' אקזוטית יכולה להיות החוליה החסרה להתרחבות היקום
  • קצב ההתרחבות של היקום שונה בהתאם לאן שאתה מסתכל

למידע נוסף על ידי האזנה לפרק 'כיצד אנו מודדים את התרחבות היקום?' בפודקאסט Ask A Spaceman, זמין ב- iTunes ובאינטרנט ב http://www.askaspaceman.com . תודה למרטין נ ', גארי ס', ורנון ס ', ג'ים ק', טים ר ', @ג'אמוסמית', מייק נ 'וקודי על השאלות שהובילו ליצירה זו! שאל את השאלה שלך בטוויטר באמצעות #AskASpaceman או עקוב אחרי פול @PaulMattSutter ו facebook.com/PaulMattSutter .

עקבו אחרינו בטוויטר @Spacedotcom אוֹ פייסבוק .