Fragen Sie Ethan Nr. 52: Wie lange hat die Expansion des Universums begonnen, sich zu beschleunigen?
Wir wurden ein paar Milliarden Jahre zuvor geboren, wir hätten nichts davon gewusst
Am Ende ist das „Universum“ eine Hypothese wie ein „Atom“, und es muss die Freiheit gegeben werden, Eigenschaften zu besitzen, Dinge zu tun, die widersprüchlich und für die endgültige materielle Struktur unmöglich sind.
-William de Sitter
Seit einem Jahr bitte ich Sie, mir wöchentlich Fragen und Vorschläge zu senden, und ich wähle diejenigen aus, die mir für die wöchentliche Kolumne „Ask Ethan“ gefallen haben. Wir haben Themen von der kleinsten bis zur größten Skala angesprochen, von irdischen Angelegenheiten bis zum Weltraum und vom Beginn des Universums bis zu seinem Ende. Diese Woche fragt mich Hems Azri danach:Ich versuche herauszufinden, ob es neue Beobachtungsdaten über die Beschleunigungsphase des Universums gibt! Wann hat es angefangen?
Sprechen wir über das Universum und seine Expansion.
Vor weniger als 100 Jahren haben wir gelernt, dass Spiralnebel in unserem Himmel keine Protosterne sind, die in unserer Galaxie entstehen, sondern ganze Galaxien, die sich in Entfernungen von Millionen bis Milliarden Lichtjahren von uns entfernt befinden. Fast sofort stellten wir fest, dass es einen erstaunlichen Zusammenhang zwischen der Entfernung zur Galaxie und ihrer Geschwindigkeit relativ zu uns gab.
Obwohl es zu dieser Zeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie mehrere exakte Lösungen gab, beschrieb eine von ihnen das Universum sehr gut: ein expandierendes Universum, homogen auf den größten Skalen. Obwohl unser Universum auf Skalen von mehreren zehn bis Millionen Lichtjahren nicht so homogen ist, sehen wir bei der Untersuchung der Skalen von mehreren zehn Milliarden Lichtjahren, dass die Abweichungen von der Homogenität sehr gering sind. Im Durchschnitt beschreibt diese Lösung - die Friedman-Lemetre-Robertson-Walker-Metrik - das Universum besser als andere.
Sie sagt uns, dass sich der Raum zwischen Galaxien - oder zwischen Strukturen, die nicht miteinander oder durch die Schwerkraft mit noch größeren Strukturen verbunden sind - ausdehnen sollte. Wenn wir wissen wollen, wie es sich ausdehnt, dh mit welcher Geschwindigkeit, müssen wir zwei Dinge wissen:- Expansionsrate jederzeit
- Arten und Anteile von Materie und Energie im Universum
Und alle! Wenn wir diese beiden Punkte erkennen, werden wir in der Lage sein, das Schicksal des Universums und die Geschwindigkeit der Expansion zu verstehen, die jeden Moment mit dem Urknall begann, ist und sein wird.
Der erste Punkt ist recht einfach, und wir haben viele Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Wenn wir die Abgeschiedenheit verschiedener Objekte des Universums und ihre Geschwindigkeit der Entfernung von uns untersuchen, können wir die heutige Expansionsgeschwindigkeit herausfinden. Dies ist ein Punkt, aber es ist leicht zu zählen. Obwohl es in den 1990er Jahren Kontroversen über die genaue Geschwindigkeit gab, haben wir jetzt festgestellt, dass sie ungefähr 67 km / s / Mpc (wobei Mpc ungefähr 3.260.000 Lichtjahre beträgt) mit einer Genauigkeit von 2-3 km / s / Mpc beträgt.Die Antwort auf die zweite Frage erhielten wir aus einer Kombination von Beobachtungen von Objekten verschiedener Typen, einschließlich entfernter Objekte wie Supernovae, kosmischer Mikrowellenstrahlung, großräumiger Strukturen und baryonischer akustischer Schwingungen.
Als Ergebnis stellte sich heraus, dass die Zusammensetzung des Universums ungefähr wie folgt ist:- 0,01% - Photonen oder Strahlung in Form von Licht
- 4,9% - gewöhnliche Materie basierend auf Protonen, Neutronen, Elektronen
- 27% - dunkle Materie, einschließlich Neutrinos, die insgesamt 0,1% enthalten, und der Rest ist unbekannt
- 68% - Dunkle Energie, die sich nach unseren Beobachtungen nicht von der kosmologischen Konstante unterscheidet
Daraus besteht, soweit wir wissen, das Universum aus.
Wenn wir über die Beschleunigung des Universums sprechen, meinen wir etwas Konkretes. Wir meinen nicht, dass die aktuelle Expansionsrate von 67 km / s / Mpc zunimmt. Stellen Sie sich eine entfernte Galaxie in jeder Entfernung von uns vor. Lassen Sie es eine Entfernung von 10 Mpc sein, dann beträgt die Expansionsgeschwindigkeit 670 km / s.
Mit einer solchen Geschwindigkeit bewegt sich eine bestimmte Galaxie von uns weg. Wenn sich das Universum ausdehnt, wird es weniger dicht und die Energiedichte nimmt ab. Da die Expansionsrate von der Energiedichte abhängt, sinkt sie ebenfalls. Aber da sich das Universum die ganze Zeit erweitert hat, wird sich die Galaxie, der wir folgen, weiter von uns entfernen.Denken Sie darüber nach: Die Expansionsgeschwindigkeit in der Zukunft ist geringer, aber bestimmte Objekte sind weiter von uns entfernt. Wenn wir die scheinbare Geschwindigkeit des Objekts berechnen müssen, während wir uns in die Zukunft bewegen, müssen wir diese beiden Zahlen multiplizieren. Die Frage ist also, was sich schneller ändert - nimmt die Expansionsgeschwindigkeit ab oder nimmt der Abstand zum Objekt zu?
Und dies hängt davon ab, wie viel Prozent der Energie des Universums in Form von Materie und Strahlung vorliegen, deren Dichte mit der Zeit abnimmt, und welcher Prozentsatz in Form einer kosmologischen Konstante enthalten ist, deren Dichte unverändert bleibt. Lassen Sie uns sehen, wie sich Materie, Strahlung und dunkle Energie (kosmologische Konstante) mit der Zeit ändern.
Jetzt dominiert die Dunkle Energie im Universum, daher fällt die Expansionsgeschwindigkeit nicht so schnell ab, wie die Entfernung zunimmt: Wenn die Expansionsgeschwindigkeit um 10% abfällt, ist das Objekt doppelt so weit von uns entfernt wie jetzt - das heißt, es beschleunigt. Aber in der Vergangenheit hatte das Universum viel weniger dunkle Energie als Prozentsatz und viel mehr Materie. Und noch früher herrschte Strahlung über sie. Wenn es mehr Materie oder Strahlung gab, sank die Expansionsgeschwindigkeit schneller und das Universum verlangsamte sich. Heutzutage, 13,8 Milliarden Jahre nach der Geburt, gab es erst vor relativ kurzer Zeit einen Moment, in dem Objekte, die sich von uns bewegten, dies mit Beschleunigung begannen!
Mathematisch gesehen erfolgt der Übergang von der Verlangsamung, mit der sich das Universum in den ersten mehreren Milliarden Jahren befasst hat, zu der Beschleunigung, die in den letzten mehreren Milliarden Jahren stattgefunden hat, wenn die Dichte der Dunklen Energie die Hälfte der Gesamtdichte der Materie erreicht. Jetzt hat es gerade die Marke doppelt so stark überschritten wie die Dichte der Materie, daher hat die Beschleunigung lange Zeit gedauert, da die Größe des Universums 62% der aktuellen betrug. Nach einer kleinen Berechnung und der Astrophysik können wir das Alter des Universums berechnen, in dem es einen kritischen Punkt durchlaufen hat - es stellt sich heraus, dass dies geschah, als es 7,8 Milliarden Jahre alt war oder vor ungefähr 6 Milliarden Jahren - 1,5 Milliarden Jahre vor der Entstehung des Sonnen System.Wenn wir die gesamte Geschichte des Universums auf ein Kalenderjahr zusammenfassen, wird der Beginn der Beschleunigung des Universums am 27. Juli liegen.
Diese Zahl ist sehr empfindlich gegenüber kleinen Änderungen der Parameter Materiedichte, Dunkle Energie und Expansionsrate. Wenn Sie sie um 2-3% ändern, kann sich die Zeit des Endes der Verzögerung und des Beginns der Beschleunigung um 1-2 Milliarden Jahre ändern! Dunkle Energie beherrschte das Universum weitere 1,9 Milliarden Jahre lang nicht (denken Sie daran, dass zum Zeitpunkt des Übergangs von der Verzögerung zur Beschleunigung ihre Menge halb so groß ist wie die der Materie), und weitere 4 müssen vergehen! Eine Milliarde Jahre vor Erreichen des heutigen Betrags, wenn es doppelt so viel ist wie Materie.Aber hier leben wir in einem sich so beschleunigenden Universum, und dann geschah der Übergang! Vielen Dank für die großartige Frage. Wenn Sie Ihre Ideen haben, senden Sie sie an unsere Kolumne. Nächste Woche beginnt ihr zweites Lebensjahr.Source: https://habr.com/ru/post/de395005/
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