Az Univerzum terjeszkedése

A kozmológia , az univerzum tágulását a neve a jelenségnek, amely úgy látja, egy nagyszabású, a tárgyak alkotó Universe ( galaxisok , klaszterek, stb) távolodik egymástól. Ezt a kölcsönös szétválasztást, amelyet a galaxisok mozgása az űrben el lehet végezni, a valóságban maga a tér felfúvódása értelmezi, az égi tárgyakat ezáltal eltávolítva egymástól. Kisebb méretben a tágulás nem befolyásolja maguknak a galaxisoknak a méretét, a "belső" gravitációnak van domináns hatása.

Az Univerzum tágulása az az elméleti megoldás, amelyet Alexander Friedmann talált annak a ténynek a figyelembe vételére, hogy az univerzum még nem omlott össze a gravitáció hatására. Lehetővé teszi a kozmológiai állandó , Albert Einstein által bevezetett mesterkedés nélkül való megélhetést , amely szilárdan kapcsolódik a statikus univerzum eszméjéhez .

Egy megfigyelési szempontból a bővítés növekedését eredményezi a hullámhossz a fény által kibocsátott galaxisok: ez a jelenség a vöröseltolódás . Ez az eltolódás nem homológ a Doppler-effektussal szemben , amely a megfigyelt tárgy térbeli elmozdulásának köszönhető; itt maga a tér tágulása a kérdés. Kozmológiai spektrális eltolódásról beszélünk.

A felfedezés ez vöröseltolódás tulajdonítják amerikai csillagász Edwin Hubble a 1929 , bár hallgatólagosan kiemelt 15 évvel korábban Vesto Slipher , és megjósolta, sőt mérhető, a Georges Lemaitre végén az 1920-as években . Ezzel együtt, a megfelelő fizikai értelmezése a vörös eltolódást megadtuk az elmélet az általános relativitáselmélet az Albert Einstein , leírására a dinamikája az Univerzum egészére. Az Univerzum terjeszkedése valójában az általános relativitáselmélet figyelemre méltó igazolása, még akkor is, ha Albert Einstein eredetileg nem tartotta be azt, sőt megpróbált alternatív magyarázatot, a fáradt fényt kínálni , amely elmélet rég elhagyott.

Az Univerzum tágulásának közvetlen következménye, hogy a múltban sűrűbb és ezért melegebb volt. Az ősrobbanás koncepciója , amely azon az elképzelésen alapul, hogy ilyen sűrű és forró korszak létezett, természetesen ebből fakad, ezért megállapítottnak tekinthető.

Elméleti szempontból az Univerzum tágulása az univerzum egészét leíró általános relativitáselméleti modellekben található. Az ilyen konstrukciókat " kozmológiai modelleknek " nevezzük . A Világegyetem tágulását leíró egyenletek az univerzumot kitöltő anyag vagy alakok tulajdonságaitól függenek. Ezek az úgynevezett Friedmann-egyenletek .

Az Univerzum tágulásának megnyilvánulása

Az Univerzum tágulása távoli asztrofizikai tárgyak látszólagos recessziójának (recessziójának) megfigyelésével nyilvánul meg. Ha nem tudjuk észlelni eltolódást a helyzetüket, illetve a változást a látszólagos mérete, mert a távolság a jelenség nagyon lassú emberi léptékű, megfigyelhetjük vöröseltolódás azok spektrum (ez azaz a fényt bocsátanak ki). Ezt a jelenséget az a tény bizonyítja, hogy ezen objektumok spektrumában emissziós és abszorpciós vonalak vannak, amelyek jellemzőek az őket alkotó kémiai elemekre , és amelyeknek a helye a spektrumban rögzített. Van egy arányossági kapcsolat sebessége közötti távolság növekedése a galaxisok (vagy ál - sebesség recesszió ), és ez a távolság, ez a törvény, hogy az úgynevezett Hubble-törvény elnevezett felfedezője, Edwin Hubble , a 1929 .

Mozgások a térben vagy a tér bővítése ?

A klasszikus mechanikában vagy a speciális relativitáselméletben a vöröseltolódás megfigyelését térbeli elmozdulásként és Doppler-hatásként értelmezik . Az általános relativitáselméletnél az ilyen értelmezés már nem elegendő, mert a klasszikus mechanikától eltérően nincs az abszolút tér fogalma , vagy legalábbis van egy bizonyos merev szerkezete, mint a speciális relativitáselméletben . Az általános relativitás tere bizonyos értelemben "rugalmas", a pontok közötti távolság például a gravitációs tér szerkezetének függvénye a szomszédságukban. Az a tény marad, hogy az általános relativitáselmélet előírja, hogy lokálisan a tér azonosul a speciális relativitáselméletével.

Nagyszabású általánosítás esetén a Doppler-értelmezés paradoxont kelthet, mivel ez azt jelentené, hogy a kellően távol lévő tárgyak a fény sebességénél nagyobb sebességgel távolodnak el, és ezért megsértik a különleges relativitás törvényeit. Valójában nem ez a helyzet, mert ha ezek az objektumok a fényénél nagyobb relatív sebességgel jól mozognak , akkor ez nem teszi lehetővé az ilyen sebességű információcserét. Így a galaxisok közötti távolság növekedése a tér tágulása következtében nem ütközik a speciális relativitáselméletbe.

Az Univerzum terjeszkedése, de nem asztrofizikai tárgyak

A néha elhangzott elképzeléssel ellentétben az Univerzum tágulása nem jelenti azt, hogy az asztrofizikai tárgyak méretét változónak látják: csak kölcsönös távolságuk változik az idő múlásával, és ez csak a kellően távoli tárgyak esetében . Ha a tér tágulása megegyezik bármely skálával, akkor az univerzum tágulása nem figyelhető meg, mivel a mérőeszközök és a mérőeszközök ugyanazt a skálát tartanák a mért távolságokhoz képest.

Az atom, a bolygó, a csillag, a galaxis, a galaxishalmaz méretarányú expanzió mozgásának ellensúlyozásához szükséges erők elegendőek ahhoz, hogy biztosítsák e tárgyak kohézióját. Nagyon könnyű volt a gravitációs erőnek , az elektromágneses erőknek vagy az erős nukleáris erőnek szembeszállni az univerzum tágulása következtében kialakuló távolsággal.

Ennek vizualizálásának intuitív módja az, hogy a rugalmas háló minden irányba kinyújtott analógiáját vesszük. Ha mintákat rajzol a vásznra, akkor azok nagyobbak lesznek, ugyanakkor látszólag távolodnak egymástól, amikor kinyújtja a vásznat. Másrészt, ha minták rajzolása helyett merev tárgyat ragasztunk a vászonra (például egy érmét), akkor a vászon nyújtásával tovább mozgatjuk a tárgyakat egymástól, de ezúttal megtartják állandó méretű. Ez egy ilyen típusú folyamat, amely az Univerzum tágulásával működik.

Az idő kiterjesztése

Mivel a téridő a relativitáselmélet szerint elválaszthatatlan entitást jelent, felmerülhet a kérdés, hogy az idő a térrel egy időben tágul- e. A kérdés nehéz, mert minden a kozmológiai skálán figyelembe vett idő fogalmától függ. Az univerzum tágulását a Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW) metrika javasolja és formalizálja , amely kozmikus időt (azaz az univerzum tágulásán áteső megfigyelő megfelelő idejét ) használ . Ezzel az idődefinícióval ezt a metrikát a következő formában fejezzük ki:

${\ displaystyle {\ rm {d}} s ^ {2} = c ^ {2} {\ rm {d}} t ^ {2} -R (t) ^ {2} \ balra ({\ frac {{ \ rm {d}} r ^ {2}} {1-kr ^ {2}}} + r ^ {2} {\ rm {d}} \ Omega ^ {2} \ right)}$ , ahol az a kifejezés, amely a világegyetem sugárjának tágulását jelenti az idő függvényében, és egy tisztán térbeli koordinátát. $R (t)$ $r$

Így kifejezve a kozmikus idő időbeli egységének megválasztásával azt látjuk, hogy az univerzum tágulási tényezője csak a térbeli komponenst érinti. De ha például a konform idő használatát választanánk, akkor az univerzum tágulásával az idő gyorsulását figyelnénk meg.

Másrészt az idő kozmológiai tágulásának jelensége kapcsolódik az univerzum tágulásához és a tér tágulásához. Ez a jelenség megfelel a távoli jelenségek "lelassult" megfigyelésének: minden olyan távoli jelenséget, amelyet egy tényező vöröseltolódásával észlelnek, egy tényező lelassítja . Az univerzum térbeli tágulása kiterjeszti a fényjel hullámvonatát, és például egy vöröseltolódású kvazár által eredetileg kibocsátott frekvenciát tízszer hosszabb ideig érzékelünk (vöröseltolódás), a hullámhossz , és ezért a hullámvonat tízszer hosszabb. $z$ ${\ displaystyle 1 + z}$ ${\ displaystyle 10 ^ {15} Hz}$ ${\ displaystyle z = 9}$ ${\ displaystyle 10 ^ {14} Hz}$

Ez a tulajdonság az ősrobbanás modelljének tesztje is , mivel az olyan elméletek, amelyek nem járnak a világegyetem tágulásával, mint például a fáradt fény elmélete, nem biztosítják az idő kozmológiai tágulását. Megfigyelik a távoli szupernóvák fényromlási idejű dilatációját, és megerősítik a kozmológiai idődilatációt és az ősrobbanás modellt.

Felfedezés története

Az univerzum terjeszkedésének felfedezése a XX . Század első felében, és több lépésben történt.

A XX . Század elején sok diffúz tárgyat láttak a távcsőben . Ezekre a tárgyakra a „ködök” általános kifejezés hivatkozott. Valójában egyrészt azt képviselték, amit továbbra is ködnek nevezünk, másrészt pedig azt, amit ma galaxisnak , vagyis a Tejútrendszeren kívüli csillaghalmaznak nevezünk . Akkor még felmerült e ködök természetének és távolságának kérdése. A spektroszkópia lehetővé tette az első válaszelemet 1914-ből , amikor az amerikai Vesto Slipher csillagász megmutatta, hogy e "ködök" (valójában galaxisok) bizonyos osztályának szisztematikus tendenciája van tőlünk. Ez mintha azt jelezte volna, hogy ezek az objektumok a mi Galaxisunkon kívül helyezkedtek el, mert különben azt vártuk volna, hogy egyenlő részük közeledik és távolodik tőlünk. Sőt, a megfigyelt sebesség szorzatának néhány milliárd éves időtartamra való felvételével a megtett távolságok meghaladták a Tejútrendszer feltételezett méretét.

A 1920 egy tudományos ülést tartottak a természet a „ködök”, amely később az Great Debate . Ellenezte Harlow Shapley- t Heber Doust Curtisszel , nézeteltérésben bizonyos ködök, különösen az Andromeda-galaxis extragalaktikus jellege miatt . A vita nem vezet végleges következtetésekre elegendő adat hiányában. Ez volt az 1925 hogy Edwin Hubble volt képes betartani Cefeidák köszönhetően a Hooker távcső 2,5 méter a csillagvizsgáló a Mount Wilson . A Henrietta Leavitt által megállapított periódus-fényesség kapcsolat segítségével kiszámította több köd távolságát és bebizonyította azok extragalaktikus jellegét.

Már 1927-ben Lemaître megállapította, hogy az általános relativitáselméletből adódó kozmológiai megoldások nem lehetnek statikusak, következésképpen az ott lévő tárgyak a távolságukkal arányos elválasztási sebességet jelentenek. Miután több éves megfigyelések, Edwin Hubble létrehozza a kapcsolat a sebesség a recesszió és a távolság több ködök átnevezett galaxisok, ezzel bizonyítva az univerzum tágulását. Ha ez a csillagász felfedezte a durva jelenséget, zavart maradt értelmezésében.

Egyéb értelmezési kísérletek

Az Univerzum terjeszkedésének valóságát nem minden tudós fogadta el könnyen. Ez a terjeszkedés valóban azt jelentette, hogy az Univerzum az Ősrobbanásból született, és rombolói számára ez az abszolút "kezdet" ellentmondani látszott a tudomány racionalista és materialista álláspontjával, mert elméjük szerint érvként szolgálhat az ötlet számára. egy isteni alkotás. Az ősrobbanás ellenzői ezért inkább egy statikus és örök modellt részesítettek előnyben, eredet nélkül. Alternatív magyarázatok, ismert néven fáradt fény (kifejezés által javasolt Richard Tolman a 1930 ), javasolták összeegyeztetni sztatikus és a vöröseltolódás a felfedezés a az univerzum tágulását a 1929 -ig az 1970-es években .

Mivel ebbe az irányba még soha nem sikerült kielégítő, szilárd elméletet kozmológiai idődilatációval megalkotni, a tudományos közösség ezeket a magyarázatokat elvetette.

A kozmosz evolúciójának egyéb forgatókönyveit is figyelembe vesszük. Így az univerzum tágulásának elméletével kapcsolatban Jean-Marc Bonnet-Bidaud megjegyzi: „ vörös eltolódást figyelünk meg a távoli tárgyak fényében, és arra következtetünk, hogy az Univerzum tágul. De ez az értelmezés csak az egyik lehetséges hipotézis És a fény ezen vöröseltolódásának eléréséhez nem feltétlenül szükséges egy táguló Világegyetem. "

Gyorsuló terjeszkedés

Az Univerzum tágulását az általános relativitáselmélet modellezi . Ez előírja, hogy az Univerzum egésze az anyagot alkotó különféle formák által kifejtett erőknek van kitéve , és ezért nem maradhat statikus: vagy egy centrifugális erő mozgatja, amely tágulásra készteti. az ősrobbanáshoz vezethet, amely a Nagy Riphez vezethet ), vagy nincs ilyen ereje, majd annak centripetális gravitációs erői átveszik az elsőbbséget a terjeszkedésen, és az univerzumot felpörgetik a Nagy Roppanásig . A legklassikusabb univerzum-modellek, különösen a Friedmann- univerzumok modelljei között az expanzió idővel lelassul.

Ezzel szemben az Univerzum tágulása befolyásolja az anyag sűrűségét és nyomását. Így az anyag ezen formáinak fizikai tulajdonságainak (különösen az állapotegyenletüknek ) az ismerete lehetővé teszi a tágulás viselkedésének előrejelzését. Az azt leíró egyenleteket Friedmann-egyenletnek nevezzük . A megfigyelések nemcsak az Univerzum (a jelen pillanatban a Hubble-konstans ) jelenlegi tágulási sebességének megismerését teszik lehetővé , hanem a múltbeli Univerzum tágulási sebességét is, közvetett módon információkat szolgáltatva az anyag formáiról, amelyek kitöltik a Világegyetemet.

A 1998 , a két csapat a csillagászok, a Supernova kozmológia Project és a Nagy-Z szupernóva keresési csapat , illetve vezette Saul Perlmutter és Brian P. Schmidt , jött a várt eredmény, hogy az univerzum tágulását úgy tűnik, hogy egyre gyorsul. . Ez az eredmény meglepő, mert nincs elmélet az értelmezésére. Valójában magában foglalja az anyag ismeretlen formájának létezését, amelynek negatív nyomása negatív, visszataszító viselkedésű és nem vonzó a gravitációval szemben. Az anyagnak ezt az ismeretlen természetű hipotetikus és szokatlan formáját sötét energiának vagy néha kozmológiai állandónak nevezik, és ez a modern kozmológia egyik megoldatlan problémája manapság. 2011-ben a fizika Nobel-díját S. Perlmutter, BP Schmidt és AG Riess kapta ezért a felfedezésért.

Megjegyzések és hivatkozások

Megjegyzések

Az idő, amely alatt két galaxis megduplázza relatív távolságát a terjeszkedés miatt, 10 milliárd év nagyságrendű, lásd alább.
Ezen ködös tárgyak többségét a Messier-katalógus gyűjtötte össze .
Albert Einstein által javasolt első kozmológiai modell nem tartalmazta az Univerzum bővülését. Ez a modell, amelyet ma Einstein Univerzumának hívnak , statikus. Később megbánta ezt a konstrukciót, és "élete legnagyobb hibájának" nevezte .
A kozmológiai állandó a sötét energia egyik lehetséges jelöltjét képviseli, és sokak számára a legvalószínűbb. Vannak azonban a sötét energia más mintái, például a kvintesszencia .

Hivatkozások

(in) Edwin Hubble , " A reláció entre távolsága és radiális sebessége az extra-galaktikus ködök között " , Proceedings of the National Academy of Sciences , vol. 15,1929, P. 168-173 ( online olvasás ).
Hogyan növeli a terjeszkedés a távolságokat anélkül, hogy tágítanák tárgyakat? , planck.fr, a Planck misszió HFI csapata .
(in) Dave Goldberg, " Universal Misconceptions # 1: Az idő tágulása " (hozzáférés: 2019. január 2. )
J. F. Hawley, K. Holcomb alapjai a modern kozmológiának Oxford University Press, 2005, p. 305
(in) " Gyakran feltett kérdések a kozmológiában " az astro.ucla.edu oldalon
Jean-Pierre Luminet , Az ősrobbanás feltalálása ,2004( ISBN 2-02-061148-1 ) , p. 108-109
Thomas Lepeltier ( rendező ), Jean-Marc Bonnet-Bidaud ( rendező ), Stéphane Fay, Jayant Narlikar , Ludwik Celnikier, T. Buchert és Robert Brandenberger, Un autre cosmos? , Párizs, Vuibert,2012, 160 p. ( ISBN 978-2-311-00774-9 , online olvasás ).
Pierre Barthélémy, "Az ősrobbanás modellje törékeny" , Interjú Jean-Marc Bonnet-Bidauddal. A Passeur de sciences blog a Le Monde-on . 2012. május 14.
A fizikai Nobel-díjat 2011-ben Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt, Adam G. Riess kapta www.nobelprize.org

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Bibliográfia

Lásd a kozmológiával foglalkozó szakmunkák listáját

Külső linkek

„Az univerzum terjeszkedése: az állandóság fontossága” , The Scientific Method , France Culture, 2021. március 16.
"Az univerzum terjeszkedése: a lehetetlen mérték" , The Scientific Method , France Culture, 2019. szeptember 24