Pagaliau po ilgesnės pertraukos vėl prisiruošiau parašyti kažką apie astronomiją. Tiksliau – kosmologiją. Vieną kosmologijos elementą, apie kurį sužinojus neretai kyla klausimas, kaip taip gali būti. Nes iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad tai prieštarauja ir turimoms žinioms apie Visatą, ir reliatyvumo teorijai.
Kalbu apie faktą, kad galime matyti objektus tokius, kokie jie buvo prieš 10 ar net daugiau milijardų metų. Iš pirmo žvilgsnio problemos čia nematyti: šviesos greitis yra baigtinis, taigi šviesai iš tolimos galaktikos pasiekti mus užtrunka baigtinį laiko tarpą. Kuo objektas toliau, tuo ilgiau jo šviesa keliauja iki mūsų, taigi tuo senesnį jį matome. Saulę matome 8 su puse minutės senumo, Andromedą – daugiau nei milijono metų senumo. Tolimiausių kvazarų šviesa iki mūsų lekia 12,9 milijardo metų, iš tolimiausių žinomų protogalaktikų – dar ilgiau. Apskritai tolimiausias stebimas dalykas yra kosminė foninė mikrobangė spinduliuotė, kurios šviesa mūsų link keliauti pradėjo po Didžiojo sprogimo praėjus vos 300 tūkstančių metų.
Bet va čia, pradėjus galvoti toliau, iškyla problema. Jei Visatai buvo vos 300 tūkstančių metų, tai jos spindulys turėjo neviršyti 300 tūkstančių šviesmečių! Juk niekas nejuda greičiau už šviesą, ar ne? Taigi jei kažkas pradėjo spinduliuoti praėjus 300 tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo, per dar 300 tūkstančių metų (na gerai, per 600 tūkstančių) ta šviesa turėjo pralėkti visą Visatą ir dabar jos matyti nėra kaip.
Skamba protingai, ar ne? Ir klausimas tikrai nekvailas, tačiau kyla, deja, dėl keleto kosmologinių procesų nesupratimo. Pirmoji klaida šiame mąstyme – teiginys, jog „niekas nejuda greičiau už šviesą“. Yra daugybė dalykų, kurie juda greičiau už šviesą, čia netgi neskaitant hipotetinių tachionų – dalelių, egzistuojančių kitoje šviesos greičio barjero pusėje. Teisingesnis teiginys būtų toks: „neįmanoma erdvėje informacijos perduoti greičiau už šviesą“. Esminis žodis jame – „erdvėje“. Joks objektas erdvės atžvilgiu greičiau už šviesą nejuda, tačiau pačios erdvės judėjimas niekaip neribojamas. Taigi Visatai plečiantis, atstumas tarp dviejų taškų joje gali didėti greičiau už šviesą, sklindančią iš vieno taško į kitą (kartais sakoma, kad „Visata plečiasi greičiau už šviesą“, bet toks teiginys yra nekorektiškas, nes Visatos plėtimasis matuojamas ne greičio vienetais. Čia tas pats, kas sakyti, jog arklys bėga greičiau, nei bažnyčios bokšto aukštis. Bet apie tai parašysiu kitą kartą).
Kas įvyksta tokiu atveju, jei du taškai dėl Visatos plėtimosi tolsta vienas nuo kito greičiau, nei juda šviesa tarp jų? Ogi tai, ką greičiausiai ir pagalvojote – šviesa, išlėkusi iš taško A, bando artėti prie taško B, bet šis tik tolsta, taigi atstumas tarp fotono ir taikinio didėja. Kiekvienu laiko momentu šviesa aplinkinės erdvės atžvilgiu juda savo – šviesos – greičiu, o tolimas objektas nuo to taško tolsta greičiu, priklausančiu nuo atstumo bei Visatos savybių. Jei šviesa taip niekada ir nepasiekia tolimojo objekto, vadinasi objektus A ir B skiria įvykių horizontas. Įvykių horizontai paprastai siejami su juodosios skylėmis, bet čia turime kosmologinį atitikmenį, kurio viduje esame; griežčiau apibrėžiant, įvykių horizontas yra sritis, iš kurios dabar išspinduliuota šviesa mus dar pasieks kažkada ateityje, o kosmologiniu horizontu vadinama sritis, iš kurios kada nors išspinduliuota šviesa mus pasiekia dabar. Visa regimoji Visata yra šiapus Žemės kosmologinio horizonto. Beje, jei objektas B yra objekto A horizonte (t.y. signalai iš objekto B gali pasiekti A), tai dar nereiškia, kad yra ir atvirkščiai (t.y. objekto A signalai nebūtinai pasiekia objektą B). Taip pat jei objektas kažkuriuo metu yra kito objekto horizonte, tai nebūtinai jame išlieka visą laiką; ir atvirkščiai. Tolimoje ateityje dėl greitėjančio Visatos plėtimosi visi objektai, išskyrus Vietinį galaktikų (super)spiečių, pranyks už Žemės įvykių horizonto.
O kaipgi yra su fonine spinduliuote? Ji yra vos pora šimtųjų dalių arčiau mūsų, nei kosmologinis horizontas. Tai reiškia, kad šviesa, sklindanti iš tų ankstyvųjų Visatos laikų, turi įveikti gerokai didesnį atstumą, nei bet kurio objekto kosmologinio horizonto spindulys tuo metu, kai spinduliuotė sukurta. Tas atstumas pasirodo esąs lygus Visatos amžiui minus 300 tūkstančių metų.
Bet aiškinti taip, kaip paaiškinau aukščiau, korektiška yra tik tada, kai kalbame apie sąlyginai nedidelio objekto (pvz. galaktikos) spinduliuotę. Tuo tarpu kosminė foninė spinduliuotė nesklinda iš vieno šaltinio. Ji susiformavo visur beveik vienu metu, kai Visata atvėso iki ~3000 K ir įvyko rekombinacija (atomų branduoliai pasigavo elektronus ir tapo neutralūs, o spinduliuotė beveik nustojo sąveikauti su medžiaga). Taigi ir sklido spinduliuotė iš visur į visur visą laiką. Jos temperatūra nuolat mažėjo ir tebemažėja, bet pro bet kurį tašką visomis kryptimis visada lekia kosminės foninės spinduliuotės fotonai. Tad nesvarbu, ar į kosmosą žiūrime dabar, ar prieš milijardą metų kas nors žiūrėjo, ar žiūrėtojai yra Paukščių Take, ar kokioje tik katalogo numerį turinčioje galaktikoje – foninė spinduliuotė egzistuoja visur. Šito nesupratimas yra antroji klaida, dėl kurios kyla aukščiau minėtoji problema.
Nesu tikras, ar paaiškinau suprantamai, bet tikiuosi, kad pavyko. Turbūt lengviau būtų pasakoti apie šitą dalyką daug gestikuliuojant rankomis ir vaizduojant visokias besiplečiančias visatas, pučiamus balionus ir taip toliau. Galbūt ir teksto pakako, kad suprastumėte, jog kosminės foninės spinduliuotės ir kitų labai tolimų objektų atvaizdų matymas neprieštarauja nei žinoms apie Visatos amžių, nei reliatyvumo teorijos postulatui, kad šviesos greitis erdvėje yra konstanta.
Laiqualasse
Ech ta mikrobangė, svitina mus. Man kad sakoma jog greitis didesnis nei sviesos tai nekliuna, padaugink is atstumo ir gausi greiti. Kad ir masem greiti gali matuot :) Na ir siaip c=1 unitais daug kas skaiciuoja. Na ziuriu senu straipsniu yra neblogu, reiks pavartyt.
O pvz koks buvo H ties z=1023 berots, rekombinacijos metu? ir kodel ties 3000K temperatura (tokia maza, maziau nei zemes centre ar saules pavirsiui) spektras beveik tobulo black body? Kame kabliukas.
Beje yra dar kazkoks horizontas, pamirsau pavadinima, kuris apibrezia, koki tolimiausia abjekta pasiektu dabar musu isspinduliuota sviesa. Gal zinai? Formule ar pavadinima.
Vikipedija rašo, kad tai turėtų būti įvykių horizontas (nors tiksliau tai yra atstumas, iš kurio išspinduliuota šviesa dar kada nors pasieks mus). O tai, apie ką aš rašiau, yra kosmologinis arba dalelių horizontas. Pasitaisysiu rašinyje, kad nesupainiočiau skaitytojų.
Formulė apskaičiuoti H(z) yra tokia: H^2(z)/H_0^2 = Omega_matter*(1+z)^3 + Omega_DE (darant prielaidą, kad Visatoje dominuoja medžiaga ir tamsenergija, bei kad tamsenergija yra konstanta). Taigi randame, kad H(1000) ~ sqrt(0,23*10^9) H_0 ~ 1,5*10^4 H_0 ~ 110 km/s/kpc.
3000 K temperatūra yra vandenilio rekombinacijos temperatūra, t.y. prie 3000 K reakcijų H + fotonas -> H+ + e- (jonizacija) ir atvirkštinės balansas išsilygina, o temperatūrai krentant yra persveriamas į rekombinacijos pusę. Tobulas blackbody turbūt todėl, kad spinduliuotė visą laiką buvo blackbody… Tiksliau nepasakysiu.
Man visiškai neaiškus erdvės pletimosi procesas. Čia aš kalbu būtent ne apie kažkokių visatos objektų astumo didėjimą, bet „erdvės plėtimasi“ kuris vyksta tarp bet kokių dviejų visatos taškų ir mažuose masteliuose (o gal tokio proceso ir nėra?). Juk visi materialus objektai savo matmenimis plečiasi kartu su erdve. T.y. kartu su erdve pailgės ir linijuotė, ir elementariosios dalelės ir kokios nors bangos ilgis. Tad plečiantis erdvei, išsiplės ir įvairūs erdvės matmenų etalonai. Tuo pačiu tokie iš ilgio ir atstumo išvestiniai matmenys, kaip greitis ar pagreičiai, liks nepakitę. Tad nesuvokiu, kaip apskritai yra fiksuojamas empiriškai ar formuojamas teoriškai toks dalykas kaip „erdvės plėtimasis“.
Sauliau, suprasti tai, ko dabar nesuprantu, gal padės šis mano rašinys: https://www.konstanta.lt/2012/11/ar-saule-tolsta-nuo-galaktikos-centro/ . Jei dar bus neaišku – parašyk, pasistengsiu paaiškinti kitaip ir detaliau.
Na man kiek neaišku, kodėl čia gravitacija gali pagelbėt, nes gravitacijos jėgos dydis yra apskaičiuojamas iš lygties, kur tarp kintamųjų yra ir ilgis – erdvės matas, kuris plečiantis erdvei turėti išsiplėsti kartu ir jo skaliarinė išraiška nepakis. Pabandysiu paklausti kitaip:
Imkime didelį mastelį – du dėl erdvės plėtimosi tolstančius galaktikų spiečius. Ar dėl erdvės plėtimosi (ne dėl dviejų taškų judėjimo erdve) po kurio laiko tarp šių spiečių vienoje linijoje tilps daugiau vieno metro linijuočių, nei telpa šią akimirką?
„Ar dėl erdvės plėtimosi (ne dėl dviejų taškų judėjimo erdve) po kurio laiko tarp šių spiečių vienoje linijoje tilps daugiau vieno metro linijuočių, nei telpa šią akimirką?“
Taip, tilps. Nes erdvė tarp spiečių išsiplės ir padidės, o liniuotės dėl Visatos plėtimosi nepadidės.
Gravitacijos reikšmė čia yra tokia, kad Visatos plėtimasis, jei jį laikytume jėga, mažais masteliais yra gerokai silpnesnis už gravitaciją, todėl pastaroji neleidžia plėtimuisi pasireikšti. Šitas paaiškinimas toks gana kreivas, tikslesnis būtų tas, kad ten, kur medžiaga Visatoje pasiskirsčiusi netolygiai (o masteliais, mažesniais už galaktikų superspiečius, taip yra visur), FRLW metrika nėra tinkamas erdvėlaikio aprašymas, taigi ir plėtimasis neegzistuoja.
Kiek kartų Laquase grįžta prie šio paaiškinimo – tiek kartų įtempiu smegeninę taip, kad net viduriai užkietėja ir vis tiek visko iki galo nepavyksta suprasti.
Reikia padaryti video su visais skeryčiojimais ir balionų pripūtimais.
Man šiuo atveju sunkiausia suprasti spinduliavimą iš visur visada. Sunku, nes tam, kad tai nuolat vyktų – reikalingas energijos šaltinis. Tai turi nuolat vykti. kaip tai gali nuolat vykti? Ar tiksliau visada?
Nėra nuolat kuriami nauji fotonai. Tiesiog jau egzistuojantys fotonai sklinda Visatos erdve, bet jų yra visur.
Nu ok… Bet jų prispinduliuota buvo labai daug? Ir ilgai?
O su sąlyga kad mes plečiamės, tai vienas kitas fotonas turėjęs mus pasivyti vis pasiveja.
Bet kažkada jie baigsis? Taip?
Prispinduliuota buvo labai daug. Nebuvo spinduliuota ilgai. Nežinau, ar yra apskaičiuota, kiek truko rekombinacijos procesas, bet gerokai trumpiau nei Visatos amžius tuo metu; labai grubiai paskaičiavau, kad gal ~100 metų (sprendžiant iš spinduliuotės netolygumų amplitudės).
Fotonai pasiveja ne „vienas kitas“, o nuolatos visi iš visur. Galima būtų įsivaizduoti viską šiek tiek kitaip. Tarkime, kad Visata yra pripildyta statiškos spinduliuotės (t.y. kaip ir fotonų, bet niekur nejudančių), o Žemė pro juos lekia ~šviesos greičiu. Nesvarbu, kaip toli ir kur nulekia Žemė, fotonų aplink ją vis tiek yra pilna.
Baigtis fotonai nesibaigs, tiesiog jų bangos ilgiai išsitemps iki nebematomų (jei bangos ilgis tampa didesnis, nei detektoriaus spindulys, tai aptikti darosi sunku; jei žymiai didesnis – praktiškai neįmanoma; kai foninė spinduliuotės fotonų bangos ilgiai taps žvaigždžių sistemų ar galaktikų dydžio, iš planetos jų jau nebeaptiksime).
Siaip pagalvojau, kad regimos visatos dalis yra fiksuota, t.y. nesikeis ateity, nekarta yra teke girdet miskoncepcija kad mazeja del to kad greiciau pleciasi, siaip tai tik bangos ilgiai dideja ir tiek.
Tai kad mažėja. Paieškosiu citatų ir rimtesnio pagrindimo šitam teiginiui, bet neabejoju, kad mažėjimas nėra miskoncepcija.
hmm, na idomus teiginys… daviau second thought’a, visviena neimanoma kad mazetu. Gali didet, jei… nei is sio nei is to pradetu deceleruot. Arba gali likt tas pats jei nera acceleracijos arba acceleruoja, bet mazet neimanoma. Keistai cia, bet kitaip neimanoma. Na paieskok, ar siaip logiskai pagrisk.
Na prie beiskodamas isdestysiu savo mastyma.
Turim tolimiausia matoma objekta ir mus. Atstume tarp ju keliauja fotonai.
ASCII Art’e atrodytu mazdaug taip: Objektas………………………Mes
Fotonu kieki galima paimt begalini.
Nesvarbu kaip laikui begant dides atstumai
Objektas. . . . .Mes
Visviena salia musu lauks sekantis fotonas. Gali net ir acceleracija acceleruot, visiskai nesvarbu, tarpo tarp fotonu neatsiras, neskaitant skales faktoriaus.
Beto, pats pasakei: „Baigtis fotonai nesibaigs, tiesiog jų bangos ilgiai išsitemps iki nebematomų“, o tai jau su matomais objektais (galaktikomis) tai kitaip?
Vienintelis imanomas mazejimo atvejis butu, jei tolimiausias objektas toltu c^2 greiciu (kad ir ka tai reikstu). t.y. planko atstumas per planko laika padvigubetu, bet toks pletimasis suplesytu viska i gabalus.
Uch primomentuosiu cia postu, tikiuosi labai nepyksi :) Kolkas nesuvokiau ar sqrt(H0) pletimosi greitis is tikruju buvo ar ne, bei ar tai keicia ka nors ar tuo labiau apibrezia matoma horizonta, dar reikia pagalvot.
Na kaip ir pagrindinius pletimusis zinau: instant del inflation, tada slowing down, tada vel accelerating. Bet ar buvo sqrt(H0) ir ar tai ka keicia?
Nesupyksiu, kad tiek prikomentavai :) Tik atsakymo iškart nepateiksiu, pasistengsiu per savaitgalį sugalvoti ir referencų paieškoti.