Apie Visatos plėtimosi greitėjimą

Jau kurį laiką man nedavė ramybės vienas klausimas, susijęs su kosmologija ir mūsų žiniomis apie greitėjantį Visatos plėtimąsi. Manęs apie jį klausė ir komentatoriai technologijose.lt. Ir vis negalėdavau protingai atsakyti, nes pats nežinojau atsakymo. Tačiau dabar lyg ir išsiaiškinau, kame problema, taigi pabandysiu tą pristatyti ir jums.

Klausimas, kuris taip neduoda ramybės, yra toks: jei tolimos supernovos, kuriomis remiantis nustatytas Visatos plėtimosi greitėjimas, pasirodė esančios blyškesnės, nei manyta anksčiau, kaip galime teigti, kad Visatos plėtimasis greitėja, o ne lėtėja?

Iš pirmo žvilgsnio gali neatrodyti, kad čia yra kokia nors problema. Jei greitėja, tai vadinasi, kad toliau nukeliavo, taigi supernovos yra toliau, tai turbūt todėl ir blyškesnės, ar ne? Naobetačiau, daugiau pasigilinus, klausimas atsiranda. Prieš aiškindamas šiokį tokį atsakymą, pabandysiu nuodugniai išaiškinti patį klausimą/neatitikimą.

Visatos plėtimosi sparta paprastai aprašoma vadinamuoju Hablo parametru; jis susieja atstumą iki objekto ir to objekto judėjimo greitį dėl Visatos plėtimosi. Kosmologiniuose modeliuose atsiranda ir tikslus Hablo parametro apibrėžimas: tai yra Visatos mastelio faktoriaus kitimo spartos ir paties faktoriaus santykis. Toks dydis apytikriai nurodo laiką, per kurį mastelio faktorius pakinta tokios pat eilės dydžiu, koks yra ir pats. Beje, mastelio faktorius pats savaime neturi didelės prasmės; reikšmingas jis tampa lyginant jo vertę įvairiais Visatos istorijos etapais. Šiandieninį mastelio faktorių galima prilyginti vienetui; tada bet kuriam kitam momentui apskaičiuotas mastelio faktorius nurodo, kiek mažesnė (arba, teoriškai, gal ir didesnė) Visata buvo tada, nei dabar. Pasirinkę kurį nors kosmologinį modelį, galime apskaičiuoti, kaip priklauso mastelio faktorius, jo kitimo greitis (taigi ir Hablo parametro vertė) nuo laiko irba raudonojo poslinkio; analitiniai skaičiavimai ne visada yra įmanomi, bet tada galime pasitelkti skaitmeninius metodus.

Kosmologinis modelis, naudotas iki maždaug 1997-ųjų metų, susidėjo tik iš materijos (na dar buvo nereikšminga spinduliuotės įtaka). Materija buvo regimoji ir tamsioji, tačiau buvo manoma, kad visą Visatos masę-energiją sudaro tik ji. Toks modelis vadinamas Einšteino – de Siterio Visata; jo parametrus galima apskaičiuoti netgi analitiškai. Visatos mastelio faktoriaus didėjimo sparta, laikui bėgant, mažėja ir kažkada turėtų pasiekti nulį. Hablo konstanta taip pat mažėja, ir mažėja dar sparčiau, nes pats mastelio faktorius tai didėja.

1997-aisiais metais, išmatavus daugelio tolimų supernovų raudonuosius poslinkius, padaryta išvada, jog Visatos plėtimasis greitėja. Tai reiškia, kad didėja mastelio faktoriaus kitimo sparta. Hablo parametras ir toliau mažėja, bet tolimoje ateityje ji turėtų tapti nenuline konstanta; tada mastelio faktorius, bėgant laikui, didės eksponentiškai. Visa tai nustatyta pastebėjus, kad supernovos yra blyškesnės, negu tikėtasi, skaičiuojant pagal ankstesnįjį kosmologinį modelį.

Šioje vietoje ir kyla tas man ramybės nedavęs klausimas. Minčių eiga yra maždaug tokia. Mes žinome dabartinę Hablo parametro, taigi ir Visatos plėtimosi spartos, vertę. Jei Visatos plėtimasis greitėja, vadinasi, anksčiau plėtimosi sparta buvo mažesnė (nors Hablo parametras ir didesnis). Bet kuriuo metu nuo visai netrukus po Visatos pradžios iki pat dabar Visatos plėtimosi sparta ankstesniajame kosmologiniame modelyje buvo didesnė, nei naujajame, spartėjančio plėtimosi, modelyje. Tad jei turime dvi greičio priklausomybes nuo laiko, kurių vienoje greitis kiekvienu laiko momentu yra didesnis, nei kitoje, tai pirmojoje ir nueitas atstumas (arba, šiuo atveju, mastelio faktoriaus pokytis) bus didesnis. Vadinasi supernova, sprogusi prieš X metų lėtėjančio plėtimosi Visatoje, yra toliau nuo mūsų, nei tame pačiame taške sprogusi supernova greitėjančio plėtimosi Visatoje. Tačiau aiškinama priešingai – supernovos yra blyškesnės, vadinasi nutolusios toliau, nei tikėtasi, dėl to darome išvadą, kad Visata plečiasi.

Kur čia šuo pakastas? Ar kosmologai pastaruosius 15 metų buvo neteisūs?

Turbūt nenustebsite, jei pasakysiu, kad kosmologinis modelis visgi teisingas, o šuo čia pakastas neatsargiame klausimų formulavime. Tiksliau sakant, mano nesupratimas kilo iš to, kad supainiojau laiką, praėjusį nuo supernovos sprogimo, su raudonuoju poslinkiu, kurį išmatuojame tos supernovos spektre.

Kas čia supainiota? Ogi tai, jog nors raudonasis poslinkis ir yra neblogas laiko matuoklis, jis nėra universalus. Ta prasme raudonojo poslinkio ir laiko, praėjusio nuo tada, kai buvo išspinduliuota šviesa, dabar matoma su tuo raudonuoju poslinkiu, sąryšis taip pat priklauso nuo kosmologinio modelio. Kitas sąryšis, nepriklausantis nuo kosmologinio modelio, yra tarp Visatos mastelio faktoriaus ir raudonojo poslinkio; taip yra todėl, kad abu dalykai nurodo atstumų santykius – mastelio faktorius bet kokių, raudonasis poslinkis šviesos bangų. Taigi raudonasis poslinkis, lygus vienetui, atitinka mastelio faktoriaus sumažėjimą dvigubai, dvejetui – trigubai, ir taip toliau. Bet štai laiko tarpas, prabėgęs nuo konkretaus raudonojo poslinkio, priklauso nuo pasirinktų kosmologinių parametrų. Senajame kosmologiniame modelyje konkretus raudonasis poslinkis atitiko mažesnį laiko tarpą, nei naujajame. Taigi nors Visata plėtėsi ir greičiau, jog plėtimasis nuo konkretaus raudonojo poslinkio truko trumpiau. Stebėjimais išmatuojamas dydis yra ne laikas, bet raudonasis poslinkis, tad problema kaip ir išspręsta.

Bet ar tikrai? Juk ką tik sakiau, kad raudonasis poslinkis atitinka konkretų mastelio faktoriaus pokytį, nepriklausomai nuo kosmologinio modelio. Tad kaip čia yra, kad viename modelyje objektai yra toliau, o kitame – arčiau, nors Visatos dydis yra toks pat?

Čia vėl reikia atidžiai pagalvoti, ką turime omeny, sakydami „Visatos dydis“. Panašiai kaip laiko ir raudonojo poslinkio sąryšis priklauso nuo kosmologinio modelio, taip ir regimosios Visatos dydžio bei mastelio faktoriaus sąryšis priklauso nuo Visatos savybių. Spartėjančiai besiplečianti Visata yra senesnė už lėtėjančią, taigi šviesa mus galėjo pasiekti iš tolimesnių sričių, todėl regimosios Visatos spindulys taip pat yra didesnis. Ir nuo bet kurio raudonojo poslinkio, kaip minėjau aukščiau, praėjo daugiau laiko, taigi mus pasiekė tolimesnė šviesa. Taigi tas pats raudonasis poslinkis greitėjančiai besiplečiančioje Visatoje atitinka didesnį atstumą, nei lėtėjančiai besiplečiančioje. Štai problema ir išspręsta.

Šį aiškinimą specialiai pateikiau be jokių formulių ar sudėtingų matematinių konstruktų. Man pačiam pravartu susivokti tokiuose dalykuose konceptualiai, mąstant apie vykstančius fizikinius procesus, o ne tik apie matematines formules. Kol apie Visatos plėtimąsi galvojau žiūrėdamas į formules, šitas klausimas net nebuvo kilęs. Bet vėliau, iškilus klausimui, ilgą laiką negalėjau sugalvoti kitokio paaiškinimo, nei „matematiškai gaunasi taip, o ne kitaip“. Pagaliau supratau ir nematematines priežastis. Tikiuosi, kad kažką supratote ir jūs.

Laiqualasse

8 comments

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *