Чи є інші докази розширення Всесвіту, крім червоного зміщення?

Теорія розширення Всесвіту настільки широко прийнята, що червоний зміщення іноді використовується як міра відстані до далеких галактик.

Але чи все ж можливо, що червоний зсув викликаний якимись невідомими явищами, а не галактиками, що віддаляються одна від одної?

Чи є якісь інші докази (крім червоного зміщення) про те, що Всесвіт дійсно розширюється і далеко від нас віддаляються галактики?

Так, є прямі докази розширення, які не є червоними.

Попередня температура космічного мікрохвильового фонового випромінювання (CMBR) була безпосередньо виміряна та виявлена ​​значно вищою, ніж сьогодні. Зниження температури з часом є прямим свідченням розширення. Ось деталі:

Згідно з цим документом , CMBR був помірно гарячішим у минулому (тут менш технічний конспект ). Дослідники спостерігали лінії поглинання в газовій хмарі, розташованій у віддаленій галактиці, і виявили, що картина побачених ліній може бути пояснена лише в тому випадку, якщо температура CMBR в момент поглинання була між 6 К і 14 К (зараз це 3 К). Ця температура відповідає очікуваній температурі для червоного зміщення цієї галактики (9 К). Зверніть увагу, що температуру вимірювали за певним малюнком ліній, що бачились, а не від того, наскільки лінії були червоно зміщені; це вимірювання дало б ту саму температуру, навіть якби не було червоного зсуву. Оскільки більш гаряча температура передбачає більш високу щільність, це охолодження CMBR з часом є прямим свідченням розширення Всесвіту.

Додаткові коментарі

• Який взаємозв'язок між лініями червоного зсуву та поглинання?

  Натхненний розмовою з uhoh у коментарях:

  У своїй відповіді я маю на увазі "візерунок" "ліній поглинання". Для тих, хто не в курсі теми, дозвольте мені пояснити.

  Коли світло просвічується через хмару газу, конкретні частоти світла поглинаються. Коли це світло просвічується крізь призму, заблоковані частоти будуть виглядати як чорні лінії в спектрі (див. Ілюстрацію нижче). Точні лінії, що з'являються, та їх положення в спектрі ("візерунок" "ліній поглинання") залежать від елементів, присутніх у газі та газовому середовищі. Ефект найбільш чітко видно зі світлом, яке випромінює фотони на всіх частотах; цей вид світла називається випромінюванням чорного тіла . Хоча випромінює світло на всіх частотах, радіатор чорного тіла випромінює найбільше світла на певній довжині хвилі; місце розташування цього піку називається температурою чорного тіла.

  
  ^{Джерело: Доплерівська зміна , Едвард Л. Райт
  (Чудовий сайт BTW, FAQ варто переглянути більше інформації про червоні зміни та космологію взагалі)}

  Коли світло рухається через (розширюється) простір, його довжина хвилі, а довжина хвилі ліній поглинання розтягується з фіксованою швидкістю для всіх частот. Скажімо, що в момент випромінювання / поглинання спектр показує лінії на довжинах хвиль 1, 3 та 5 нм ¹ . Після того, як фотони пройдуть протягом певного часу, всі довжини хвиль спектру, як видається, збільшились удвічі ² . Лінія, що раніше була на 1 нм, тепер бачиться на 2 нм, перша - на 3 нм, тепер - на 6 нм, а перша - на 5 нм - тепер - на 10 нм. Хоча їх абсолютні частоти з часом змінюються, відношення довжин хвиль (і частот) ліній відносно одна до одної залишається постійною.

  Точна кількість зміщення спектра даного об'єкта прямо корелює з його відстані. Як видно з діаграми вище, близькі об'єкти (як Сонце) не показують червоного зміщення. Коли ми дивимось на об'єкти все далі та далі, то спостерігається збільшення кількості червоного зсуву ³ .

  У обговоренні у відповіді вище, саме ця схема відносних положень у лініях впливає на температуру CMBR в момент поглинання, а не на ступінь зміщення ліній.

  ^{1 Якщо говорити технічно, ця точка знаходиться при де позначає величину зсуву, позитивну для червоних зрушень (відсунення) і негативну для синіх змін (наближення). Більш поглиблене обговорення цієї теми (включаючи точне визначення ) можна знайти тут . $z=0$$z$$z$
  2 Точка подвоєння довжини хвилі (зменшення частоти) зменшується на$z=1$
  3 Слід зазначити, що оскільки існує деяка невизначеність у швидкості розширення Всесвіту, червоні зсуви не стосуються точно відомих відстаней. Таким чином, астрономи та космологи рідко посилаються на відстані до віддалених об'єктів в абсолютних показниках, скажімо, світлових років або парсеків, віддаючи перевагу, скоріше, використовувати кількість спостережуваних червоних змін ( згадане вище).$z$}

  Механізм зміщення червоного кольору полягає не в тому, що самі фотони змінюються, а в тому, що розширюється сам простір, через який рухаються електромагнітні хвилі. (Фотони є і частинками, і хвилями; ні, це не зовсім інтуїтивно.) Це постійне розтягнення простору розтягує довжину хвилі світла, що призводить до ефекту червоного зсуву і збільшення червоного зрушення даного фотона з часом.

  
  Дуглас Хофстадтер, CC A-SA 3.0
   

• Як червоний зсув стосується CMBR?

  У коментарях Алхіміста запитав: "Чи не є CMBR насправді квінтесенція червоних змін?"
  (Я припускаю, що ви використовуєте загальне, а не космологічне значення "квінтесенція")

  Так, поточна температура CMBR (3 К), як правило, є результатом відносно високоенергетичних фотонів (3000 К), випромінюваних приблизно в 380 000 років після Великого вибуху, які мали довжину хвиль, розтягнуту в часі за рахунок розширення Всесвіту до червоний (тобто більш холодний або нижчий енергетичний) кінець спектру. Про це розширення було зроблено висновками Hubble et al. із спостереження, що менші та тьмяні галактики (як видно із Землі) мають більший зсув у своїх спектрах. Чим далі видима відстань, тим більше спостерігається зсув. Використовуючи цей очевидний кореляційний зсув червоного зсуву, ми можемо зробити висновокщо Всесвіт в минулому був меншим і, таким чином, щільнішим з більш високою температурою для CMBR. На основі спостережуваних червоних зрушень далеких галактик ми можемо вивести, але не безпосередньо вимірювати, яка температура CMBR була на кожній відстані.

  Автори вищезазначеної роботи зробили пряме вимірювання температури КМБР у конкретний минулий час. Виміряна температура вище, ніж сьогодні, що передбачає більш щільний і, таким чином, менший Всесвіт. Крім того, дослідники встановили, що безпосередньо виміряна температура чітко відповідає тій, що випливає із спостережуваного червоного зсуву галактики, що вивчається.

  Коротше кажучи, ланцюжок висновку поміняється:

  • Для міркувань, що ґрунтуються на перемиканні червоного кольору:
    збільшення червоних зрушень із видимою відстані (безпосередньо вимірюється) ⇒ розширення ⇒ щільніший Всесвіт у минулому ⇒ вища температура CMBR в минулому.
  • Для прямого вимірювання минулої температури (як у цьому документі):
    Більш висока температура CMBR в минулому (безпосередньо вимірюється) ⇒ Густіший Всесвіт у минулому ⇒ Розширення served Спостережений червоний зсув.
     

  Ці два ланцюги висновків на основі різних наборів доказів акуратно доповнюють один одного і підтримують їх.

  Варто зазначити, що CMBR не був створений розширенням (принаймні, безпосередньо), а розширенням, що пояснює його поточну температуру та рівномірність. Згідно теорії Великого вибуху, ранній Всесвіт був дуже щільним; настільки щільна і гаряча, що вся матерія була плазмою субатомних частинок, непрозорих для фотонів. Приблизно в 380 000 років після Великого вибуху Всесвіт охолола (через розширення) достатньо, щоб протони та електрони могли поєднуватися, утворюючи нейтральний газ водню (який прозорий). CMBR - це світло, яке в цей час було вимкнено і з тих пір охолоджується.

Але чи все ж можливо, що червоний зсув викликаний якимись невідомими явищами, а не галактиками, що віддаляються одна від одної?

В історії були запропоновані деякі альтернативні теорії, як гіпотеза про втомлене світло , стаціонарний всесвіт тощо. Але спостереження виключало ці та інші теорії .

Див. Також Альтернативна космологія

Інших розумно прямих методів немає, але визначено непрямі методи. Одне, у відповідь @Alex Hajnal, більш високі температури CMB, виміряні далі, - дуже приємна непряма міра.

Іншим непрямим доказом, який ще ніхто не зазначив, є те, що, коли ми дивимось все далі і далі, Всесвіт виглядає все молодше і молодше, і все рідше нагадує те, що ми бачимо у своєму сусідстві. Ви в значній мірі змушені пояснювати це науково, кажучи, що Всесвіт почав приблизно в 10 мільярдів років тому, а зірки та галактики почали формуватися тоді. (Це не є доказом великого вибуху, але він усуває більшість його альтернатив. Модель Steady State, наприклад, фальсифікована.) Дуже важко пояснити те, що ми бачимо, окрім як через те, що Всесвіт розширюється від гарячого щільного стану приблизно. 10 ¹⁰ років тому.

Більше непрямих доказів походить із загальної теорії відносності, теорії простору, часу і сили тяжіння, яка дуже добре перевірена - вона перевірена вже століття і оскаржується безліччю інших теорій, і лише GR пройшов усі експериментальні випробування. GR надійно прогнозує, що статичний Всесвіт неможливий і що він повинен або розширюватися, або стискатися. Це непрямі докази здебільшого місцевих експериментів.

Ще більше непрямих доказів випливає з розрахунків нуклеосинтезу, які показують, що співвідношення H / He / Li, яке ми спостерігаємо у найдавніших і найменш розвинених зірках, саме те, що ми прогнозуємо, ґрунтуючись на застосуванні вимірюваних властивостей ядер до кулі Великого Бану.

Існує так багато науки, крім червоних зрушень, які вказують на те, що Всесвіт розширюється від початкового дуже гарячого, щільного стану, що навіть без спостереження за червоними зрушеннями ми зрештою будемо змушені до цього висновку.

Окрім косвенних доказів, наданих іншими відповідями, сильну перевірку галактик, що віддаляються одна від одної, дає той факт, що ми бачимо, що фізичні процеси - такі як час спаду яскравості наднових - збільшуються, чим далі його є. Для джерела з червоним зміщенням , величина цього уповільнення часу спостерігається , щоб бути , а саме відповідно до тим, що , як очікується , із загальної теорії відносності у Всесвіті.$z$$(1+z)$

Тобто наднова, яка спостерігається з червоним зміщенням потребує вдвічі більше часу, щоб зменшитись як локальна наднова.$1$

Зауважте, що це не перевірка Всесвіту, що розширюється, а лише галактик, що віддаляються одна від одної. Якби Всесвіт був статичним, але галактики рухалися через космос, ви б спостерігали за процесами, розширеними тим самим фактором, що і передбачували спеціальною відносністю. Однак є й інші докази того, що галактики не рухаються через статичний простір, а натомість лежать більш-менш нерухомо у просторі, що розширюється.

Так:

1. Поширення даних про наднову 1a
2. WMAP вимірювання CMB
3. Огляд галактичного неба Слоана (каталог галактик)

Важливим є те, що ці результати не тільки говорять те саме, але й відповідають іншим .

Гаразд, ця відповідь передбачає зміни в червоному, але вислуховуйте мене.

За загальної відносності багато механізмів можуть створювати червоні зрушення: розширення простору, об'єкти, що рухаються відносно спостерігача (тобто нас), і світло, що добре рухається з гравітації. Останній варіант не виходить за рамки цього питання, і перший виключається з розгляду на вимогу запитувача. Це залишає розглянутий лише другий варіант (відносний рух, який називається також релятивістським ефектом Доплера); це зміщення може бути (і було перевірено) тут, на Землі, і було показано, що воно існує.

Червоний зсув спостерігається у всіх, здавалося б, віддалених об'єктів (тьмяність, низька металічність тощо). З червоного зсуву спектрів, помічених у будь-якому даному об'єкті, ми можемо визначити, наскільки швидко він віддаляється від нас. Наприклад, об'єкт із вимірюваним червоним зсувом$z=0.5$віддаляється від нас приблизно в половині швидкості світла. Все йде нормально. Біда виникає, коли ми спостерігаємо предмети з$z>1$. Знайдено багато таких об’єктів; поточним рекордсменом є GN-z11 з червоним зсувом$z=11.09$. Інакше кажучи, якби у грі були лише релятивістські зсуви, цей об'єкт мав би віддалятися від нас із швидкістю світла в 11 разів.

Зважаючи на те, що жоден об'єкт, що має масу, не може досягти швидкості світла, зрозуміло, що спостережувані зміни червоного кольору не можуть бути викликані релятивістським рухом. Оскільки за трьома перерахованими вище описаними вище механізмами немає відомих механізмів, які можуть викликати червоні зрушення в спектрах (порівняння вимирання ), єдиним поясненням, що відповідає цим спостереженням, є розширення простору. Поміщений лаконічно, той факт , що сверхсветовие червоні зсуви спостерігаються у всіх є докази того, що простір розширюється.