Visatos skersmuo ir amžius

Neretai, kai žiniasklaidoje pranešama apie kokį nors astronominį atradimą, susijusį su labai tolimais objektais (tolimiausia galaktika, tolimiausias kvazaras, dar kas nors tolimiausias ar bent jau vienas iš tolimiausių), būna parašoma, kad tas objektas yra už kiek nors milijardų šviesmečių (atsitiktinis pavyzdys iš Delfio, kitas pavyzdys iš Space.com, kad negalvotumėte, jog vien lietuviškoje spaudoje taip rašoma). Nežinau, ar atkreipėte dėmesį, bet panašių frazių šio blogo įrašuose nerasite; jas pakeičia frazė „objektas matomas toks, koks buvo prieš X milijardų metų“. Taip rašau todėl, kad žiniasklaidos mėgstami atstumo įvardijimai yra klaidingi. O klaidingi jie todėl, kad Visatos plėtimasis vyksta ne šviesos greičiu.

Kai aptinkami tokie tolimi objektai, mokslininkai tiesiogiai negali nustatyti, koks jų atstumas nuo mūsų. Dažniausiai jie nustato objekto raudonąjį poslinkį, o tada įstato šį dydį į atitinkamas kosmologines lygtis, kurios leidžia apskaičiuoti objekto tolimo nuo mūsų greitį ir atstumą iki to objekto. Taip pat galima apskaičiuoti ir laiką, kurį šviesa keliavo nuo to objekto iki mūsų – tai vadinama atgrąžos laiku (angl. lookback time). Šis laikas yra labai svarbus parametras, nes jis parodo, kokio senumo vaizdą matome: jei objekto šviesa iki mūsų keliavo 10 milijardų metų, tai mes jį matome tokį, koks jis buvo praėjus 3,8 milijardo metų po Didžiojo sprogimo. Jei atgrąžos laikas yra 13 milijardų metų, matome mažytį gabaliuką Visatos, kuriai dar nebuvo nė milijardo metų. Ankstyvojoje Visatoje dėjosi daug labai įdomių dalykų – pirmosios žvaigždės jonizavo medžiagą, formavosi pirmosios galaktikos ir žiebėsi pirmieji aktyvūs branduoliai, sprogo pirmosios supernovos ir atsirado cheminiai elementai, sunkesni už litį. Nenuostabu, kad norisi kuo detaliau ištirti tą laikotarpį, taigi kiekvieno objekto iš tų laikų atradimas yra vertas dėmesio įvykis. Tačiau atgrąžos laikas, išreikštas metais, nėra lygus atstumui, išreikštam šviesmečiais, kaip dažniausiai būna parašoma žiniasklaidoje.

Kaip čia taip? Ogi visko šaknys slypi Visatos plėtimesi. Jeigu Visata nesiplėstų ir visi objektų būtų, kur buvę, tuomet atstumą tikrai gautume šviesos kelionės laiką padauginę iš šviesos greičio. Toks sąryšis tinkamas naudoti mūsų Galaktikoje, net ir kalbant apie aplinkines galaktikas jis netikslus tik labai nežymiai. Bet kuo toliau nuo kosminių apylinkių tolstame, tuo labiau atsiskiria tikrasis atstumas ir „šviesos kelio“ atstumas. Nes kol šviesa nukeliauja nuo objekto A iki objekto B (pavyzdžiui, mūsų), Visata išsiplečia, ir atstumas tarp objektų pasikeičia. Šviesos nueinamas kelias nėra lygus nei tam atstumui, kuris objektus skyrė šviesai paliekant objektą A, nei atstumui, kuris juos skiria šviesai pasiekiant objektą B. Gal šitai pasidarys aiškiau, pažiūrėjus į diagramą apačioje.

Kažkuriuo metu objektus skiria Atstumas 1. Objektas A išspinduliuoja šviesą, kuri juda objekto B link ir pasiekia jį po kažkiek laiko. Per tą laiką dėl Visatos plėtimosi atstumas tarp objektų padidėjo iki Atstumo 2. Šviesos nueitas kelias lygus atgrąžos laikui, padaugintam iš šviesos greičio. Tačiau atstumas tarp objektų, ar tai būtų Atstumas 1, ar Atstumas 2, nėra lygus tam keliui. Kažkuriuo metu tarp šviesos išspinduliavimo ir jos atkeliavimo iki B, šviesos nueitas kelias buvo lygus atstumui tarp objektų, bet tuo metu šviesa buvo kažkur tarp jų. Taigi šviesos nueitas kelias mums nieko nepasako apie atstumą tarp objektų.

Koks gi yra tikrasis atstumas? Tiksliai jį apskaičiuoti taip pat galima pasinaudojus kosmologinėmis lygtimis. Tiesa, atstumų yra ne vienas – priklauso nuo to, ką norime išmatuoti. Jei žinome iš objekto mus pasiekiantį spinduliuotės srautą ir norime rasti jo šviesį, reikia vienokio atstumo (vadinamo šviesio atstumu, angl. luminosity distance); jei išmatavome objekto kampinį dydį ir norime nustatyti jo tikruosius gabaritus – kitokio (kampinio skersmens atstumo, angl. angular diameter distance). Dar vienas atstumas yra „tikrasis“, t.y. nurodantis nuotolį tarp dviejų taškų tuo pačiu laiko momentu (angl. comoving distance, o lietuviško vertimo nėra, taigi kalbėdamas su kolegomis sakau komūvinantis atstumas).  Šviesio ir „tikrasis“ atstumai yra didesni, nei šviesos nueitas kelias, o kampinio skersmens atstumas – mažesnis. Tikrasis atstumas iki regimosios Visatos krašto, atitinkantis 13,8 milijardų metų atgrąžos laiką, yra apie 14 gigaparsekų, arba 46 milijardai šviesmečių.

Gali kilti klausimas, kaip gi Visata galėjo išsiplėsti iki dydžio, didesnio už 13,8 milijardo šviesmečių. Atsakymas yra paprastas – Visatos plėtimuisi šviesos greitis nėra jokia riba. Šviesos greitis riboja, kokiu greičiu objektai gali judėti erdvėje, tuo tarpu Visatos plėtimasis yra pačios erdvės plėtimasis, tad dėl jo objektai vienas nuo kito gali tolti greičiau už šviesą (apie tai rašiau prieš kelis mėnesius). Todėl ir Visatos dydžio neriboja jos amžius, padaugintas iš šviesos greičio.

Dar apie šį neatitikimą tarp Visatos dydžio ir amžiaus galite paskaityti From Quarks to Quasars blogo straipsnyje.

Laiqualasse

P.S. Parašęs šį įrašą, irgi supratau, kad ta pačia tema buvau rašęs prieš keletą metų. Bet gal ano rašinio būsite neskaitę, tai gal šis pasirodys kažkiek naudingas.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas.