Có bằng chứng nào khác về vũ trụ đang mở rộng ngoài việc dịch chuyển đỏ không?

9

Lý thuyết về vũ trụ giãn nở được chấp nhận rộng rãi đến mức đôi khi dịch chuyển đỏ được sử dụng như một thước đo khoảng cách đến các thiên hà xa xôi.

Nhưng vẫn có khả năng dịch chuyển đỏ là do một số hiện tượng chưa biết chứ không phải do các thiên hà di chuyển xa nhau?

Có bằng chứng nào khác (ngoài dịch chuyển đỏ) rằng vũ trụ thực sự đang giãn nở và các thiên hà ở xa đang di chuyển ra xa chúng ta không?

cosmology expansion redshift

— chim cu
nguồn

Vũ trụ không giãn nở, nó chỉ đơn thuần chạm vào một bể nước nóng;)

— N. Steinle

Người ta không tin rằng các thiên hà đang di chuyển xa nhau. Mô hình là không gian đang mở rộng. Đây là hai kịch bản khác nhau.

— Rob Jeffries

9

Có, có bằng chứng trực tiếp, không thay đổi màu đỏ của việc mở rộng.

Nhiệt độ trong quá khứ của bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMBR) đã được đo trực tiếp và được phát hiện là cao hơn đáng kể so với hiện nay. Sự giảm nhiệt độ của nó theo thời gian là bằng chứng trực tiếp của sự giãn nở. Đây là những thông tin chi tiết:

Theo bài báo này , CMBR đã nóng hơn đáng kể trong quá khứ ( tóm tắt ít kỹ thuật hơn ở đây ). Các nhà nghiên cứu đã quan sát các vạch hấp thụ trong một đám mây khí nằm ở một thiên hà xa xôi và thấy rằng mô hình của các vạch nhìn thấy chỉ có thể được giải thích nếu nhiệt độ CMBR tại thời điểm hấp thụ nằm trong khoảng từ 6 K đến 14 K (bây giờ là 3 K). Nhiệt độ này phù hợp với nhiệt độ dự kiến cho dịch chuyển đỏ của thiên hà đó (9 K). Lưu ý rằng nhiệt độ được đo từ mẫu đường cụ thể được nhìn thấy chứ không phải từ mức độ dịch chuyển của màu đỏ; phép đo này sẽ mang lại cùng nhiệt độ ngay cả khi không có dịch chuyển đỏ. Do nhiệt độ nóng hơn hàm ý mật độ cao hơn, sự làm mát này của CMBR theo thời gian là bằng chứng trực tiếp cho sự giãn nở của vũ trụ.

Ý kiến khác

Mối quan hệ giữa sự thay đổi màu đỏ và dòng hấp thụ là gì?

Lấy cảm hứng từ một cuộc trò chuyện với uhoh trong các ý kiến:

Trong câu trả lời của tôi, tôi đề cập đến một "mẫu" của "đường hấp thụ". Đối với những người không thành thạo trong chủ đề cho phép tôi giải thích.

Khi một ánh sáng chiếu qua một đám mây tần số riêng của ánh sáng được hấp thụ. Khi ánh sáng này chiếu qua lăng kính, các tần số bị chặn sẽ xuất hiện dưới dạng các vạch đen trong phổ (xem hình minh họa bên dưới). Các đường chính xác xuất hiện và vị trí của chúng trong quang phổ ("mẫu" của "đường hấp thụ") phụ thuộc vào các yếu tố có trong khí và môi trường của khí. Hiệu ứng được nhìn thấy rõ nhất với ánh sáng phát ra photon ở mọi tần số; loại ánh sáng này được gọi là bức xạ vật đen . Mặc dù phát ra ánh sáng ở mọi tần số, bộ tản nhiệt thân đen sẽ phát ra nhiều ánh sáng nhất ở bước sóng cụ thể; vị trí của đỉnh này được gọi là nhiệt độ của vật đen.

^{Nguồn: Doppler Shift , Edward L. Wright

(Trang web tuyệt vời BTW, Câu hỏi thường gặp đáng để tìm hiểu thêm thông tin về ca đỏ và vũ trụ học nói chung)}

Khi ánh sáng truyền qua (mở rộng) không gian, bước sóng của nó và bước sóng của các vạch hấp thụ trải dài ở một tốc độ cố định cho tất cả các tần số. Giả sử tại thời điểm phát xạ / hấp thụ, phổ cho thấy các vạch ở bước sóng 1, 3 và 5 nm ¹ . Sau khi các photon truyền đi trong một khoảng thời gian nhất định, tất cả các bước sóng của quang phổ sẽ xuất hiện gấp đôi ² . Dòng trước đây ở 1nm bây giờ được nhìn thấy ở 2 nm, dòng trước đây ở 3nm hiện được nhìn thấy ở 6nm, và dòng ban đầu ở 5nm bây giờ được nhìn thấy ở 10nm. Mặc dù tần số tuyệt đối của chúng thay đổi theo thời gian, tỷ lệ của bước sóng (và tần số) của dòng so với nhau vẫn không đổi.

Lượng chính xác mà phổ của một đối tượng nhất định được dịch chuyển tương quan trực tiếp với khoảng cách của nó. Như đã thấy trong sơ đồ trên, các vật thể gần (như Mặt trời) không hiển thị dịch chuyển màu đỏ. Khi nhìn vào các vật thể ngày càng xa, người ta sẽ thấy lượng dịch chuyển đỏ tăng lên ³ .

Trong cuộc thảo luận trong câu trả lời ở trên, đây là mô hình của các vị trí tương đối trong các đường bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ CMBR tại thời điểm hấp thụ và không phải là mức độ mà các đường đã bị dịch chuyển.

^{$z=0$ $z$ $z$}
^$z=1$
^$z$

Cơ chế đằng sau sự dịch chuyển màu đỏ không phải là bản thân các photon đang thay đổi mà chính là không gian mà sóng điện từ đang di chuyển đang mở rộng. (Photon là cả hạt và sóng; không, nó không chính xác trực quan.) Sự kéo dài không gian liên tục này kéo dài bước sóng của ánh sáng làm tăng cả hiệu ứng dịch chuyển màu đỏ và tăng sự dịch chuyển màu đỏ của một photon nhất định theo thời gian.

Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0
Làm thế nào để thay đổi màu đỏ liên quan đến CMBR?

Trong các bình luận, Alchimista hỏi "Không phải CMBR thực sự là tinh hoa của dịch chuyển đỏ sao?"
(Tôi cho rằng bạn đang sử dụng phổ biến chứ không phải vũ trụ học , nghĩa là "tinh hoa")

Đúng vậy, nhiệt độ CMBR hiện tại (3 K) thường được đồng ý là kết quả của các photon năng lượng tương đối cao (3000 K) phát ra khoảng 380.000 năm sau khi Vụ nổ lớn có bước sóng kéo dài theo thời gian bởi sự giãn nở của Vũ trụ đối với đầu đỏ (tức là mát hơn hoặc năng lượng thấp hơn) của quang phổ. Sự mở rộng này đã được Hubble et al. từ quan sát rằng các thiên hà nhỏ hơn và mờ hơn (nhìn từ Trái đất) có sự thay đổi lớn hơn trong quang phổ của chúng. Khoảng cách rõ ràng càng xa, sự thay đổi quan sát càng lớn. Sử dụng sự thay đổi màu đỏ tương quan khoảng cách rõ ràng này, chúng ta có thể suy rarằng Vũ trụ nhỏ hơn trong quá khứ và do đó dày đặc hơn với nhiệt độ cao hơn cho CMBR. Dựa trên sự dịch chuyển màu đỏ quan sát của các thiên hà xa xôi, sau đó chúng ta có thể suy ra, nhưng không thể đo trực tiếp, nhiệt độ CMBR ở mỗi khoảng cách là bao nhiêu.

Những gì các tác giả của bài báo trên đã làm là đo trực tiếp nhiệt độ của CMBR tại một thời điểm cụ thể trong quá khứ. Nhiệt độ đo được cao hơn so với hiện nay, nghĩa là Vũ trụ dày đặc hơn và do đó nhỏ hơn. Các nhà nghiên cứu phát hiện thêm rằng nhiệt độ đo trực tiếp phù hợp gọn gàng với nhiệt độ được suy ra từ sự dịch chuyển màu đỏ quan sát được của thiên hà đang nghiên cứu.

Tóm lại, chuỗi suy luận được hoán đổi:
- Đối với lý luận dựa trên dịch chuyển đỏ:
  Tăng ca đỏ với khoảng cách rõ ràng (đo trực tiếp) ⇒ Mở rộng Universe Vũ trụ đậm đặc hơn trong quá khứ temperature Nhiệt độ CMBR cao hơn trong quá khứ.
- Đối với phép đo trực tiếp nhiệt độ trong quá khứ (như với bài viết này):
  Nhiệt độ CMBR cao hơn trong quá khứ (đo trực tiếp) ⇒ Vũ trụ đậm đặc hơn trong quá khứ ⇒ Mở rộng Chuyển dịch màu đỏ quan sát được.
Hai chuỗi suy luận này dựa trên các bộ bằng chứng khác nhau bổ sung gọn gàng và hỗ trợ lẫn nhau.

Một điều cần lưu ý là CMBR không được tạo ra bởi sự mở rộng (ít nhất là không trực tiếp) mà là sự mở rộng giải thích nhiệt độ và tính đồng nhất hiện tại của nó. Theo lý thuyết Big Bang, vũ trụ sơ khai rất dày đặc; dày đặc và nóng đến mức tất cả vật chất là một plasma của các hạt hạ nguyên tử, mờ đục thành photon. Vào khoảng 380.000 năm sau Vụ nổ lớn, Vũ trụ đã nguội đi (thông qua sự giãn nở) đủ để các proton và electron có thể kết hợp để tạo thành khí Hydrogen trung tính (trong suốt). CMBR là ánh sáng được đặt miễn phí tại thời điểm này và đã được làm mát kể từ đó.

— Alex Hajnal
nguồn

"mẫu của dòng" có nghĩa là mẫu trong cường độ tương đối của chúng?

— uhoh

@uhoh Nó đề cập đến mô hình các vạch hấp thụ (các điểm tối trong quang phổ) nhìn thấy trong ánh sáng từ một quasar (IIRC) ở xa đi qua một đám mây khí trong thiên hà can thiệp. Mô hình được nhìn thấy phụ thuộc vào các yếu tố hiện tại và môi trường mà chúng đang ở.

— Alex Hajnal

1

Tôi không viện dẫn giả thuyết! Tôi đang nói rằng CMBR là zshift ở trên cùng! Đừng quên làm thế nào để cuộc thảo luận của chúng tôi bắt đầu. Tất cả các quan sát chúng tôi có mở rộng được bắt nguồn từ sự thay đổi. Đây là những gì tôi đang nói trong bối cảnh của câu hỏi OP. Khỏe.

— Alchimista

1

@Alchimista Chỉ cần rõ ràng, tôi không tấn công bạn, chỉ cố gắng để hiểu vị trí của bạn. Tôi nghĩ rằng bạn đang nói rằng bạn tin rằng sự mở rộng tồn tại nhưng bạn không thấy bất kỳ cách nào để chứng minh sự tồn tại của nó mà không liên quan đến việc đo sự thay đổi màu đỏ hoặc thay đổi nhiệt độ. Bài báo tôi đã trích dẫn đo nhiệt độ tuyệt đối của CMBR trong quá khứ (không có sự thay đổi màu đỏ liên quan). Vì nhiệt độ đo được cao hơn nhiệt độ đo được ngày nay, vũ trụ phải dày đặc hơn (và do đó nhỏ hơn). Vì nó dày đặc hơn / nhỏ hơn và bây giờ đã dày đặc hơn / lớn hơn nên đã xảy ra sự mở rộng.

— Alex Hajnal

1

@Alchimista Tôi chỉ đơn thuần đưa ra quan điểm rằng việc thiếu một lời giải thích không phải là lý do để khẳng định một số lời giải thích.

— N. Steinle

7

Nhưng vẫn có khả năng dịch chuyển đỏ là do một số hiện tượng chưa biết chứ không phải do các thiên hà di chuyển xa nhau?

Trong lịch sử, một số lý thuyết thay thế đã được đề xuất, như giả thuyết ánh sáng mệt mỏi , vũ trụ trạng thái ổn định, v.v. Nhưng quan sát đã loại trừ những lý thuyết này và các lý thuyết khác .

Xem thêm Vũ trụ học thay thế

— Thống trị
nguồn

3

Không có phương pháp trực tiếp hợp lý nào khác, nhưng chắc chắn có phương pháp gián tiếp. Thứ nhất, trong câu trả lời của @Alex Hajnal, nhiệt độ CMB cao hơn được đo thêm là một biện pháp gián tiếp rất hay.

Một bằng chứng gián tiếp khác, mà chưa ai lưu ý, đó là khi chúng ta nhìn xa hơn và xa hơn, vũ trụ trông trẻ hơn và trẻ hơn, và ngày càng ít giống như những gì chúng ta thấy trong khu phố của chúng ta. Bạn bị buộc phải giải thích một cách khoa học bằng cách nói rằng vũ trụ đã bắt đầu theo thứ tự thô sơ của 10 tỷ năm trước, và các ngôi sao và thiên hà chỉ bắt đầu hình thành sau đó. (Đây không phải là bằng chứng cụ thể của Big Bang, nhưng nó loại bỏ hầu hết các lựa chọn thay thế cho nó. Ví dụ, mô hình Steady State bị làm sai lệch.) từ một nhà nước dày đặc ca. 10 ¹⁰ năm trước.

Nhiều bằng chứng gián tiếp đến từ Thuyết tương đối rộng, một lý thuyết về không gian, thời gian và lực hấp dẫn đã được kiểm chứng rất rõ ràng - nó đã được thử nghiệm trong một thế kỷ và bị thách thức bởi vô số lý thuyết khác, và chỉ GR đã vượt qua tất cả các thử nghiệm thử nghiệm. GR mạnh mẽ dự đoán rằng một vũ trụ tĩnh là không thể và nó phải được mở rộng hoặc hợp đồng. Đây là bằng chứng gián tiếp từ hầu hết các thí nghiệm địa phương.

Tuy nhiên, nhiều bằng chứng gián tiếp hơn đến từ các tính toán tổng hợp cho thấy tỷ lệ H / He / Li mà chúng ta quan sát được ở các ngôi sao già nhất và ít tiến hóa nhất chính xác là những gì chúng ta dự đoán dựa trên việc áp dụng các tính chất đo được của hạt nhân vào một quả cầu lửa Big Ban.

Có rất nhiều khoa học khác ngoài những thay đổi màu đỏ chỉ ra vũ trụ mở rộng từ trạng thái dày đặc ban đầu, rất nóng mà thậm chí không có sự quan sát của các dịch chuyển đỏ, cuối cùng chúng ta cũng bị buộc phải đưa ra kết luận đó.

— Đánh dấu Olson
nguồn

1

Không phải thực tế là chúng ta thấy các thiên hà trẻ ở xa hơn chỉ nói rằng ánh sáng truyền đi với tốc độ hữu hạn sao? Một vũ trụ tĩnh (bằng cách nào đó) sẽ thể hiện tính năng tương tự.

— pela

Cách vũ trụ chỉ có thể trông trẻ hơn khi chúng ta nhìn vào không gian (trở về quá khứ) là nếu nó là trai rồi. Trong trường hợp đó, nó đang phát triển từ trẻ đến già và phải có một khởi đầu. Bắt đầu là rất khó xử trong một vũ trụ tĩnh mà thậm chí không có một điểm kỳ dị để quét các câu hỏi khó dưới.

— Mark Olson

Nhưng ngay cả một vũ trụ giãn nở cũng có thể được sinh ra vô cùng lớn (trên thực tế chúng ta dường như đã có), vì vậy tôi không dễ dàng thấy một lý do mà vũ trụ tĩnh cũng không thể được sinh ra vô cùng lớn, và sau đó bắt đầu hình thành cấu trúc. Nhưng tất nhiên, việc hình thành cấu trúc trong một vũ trụ loãng như Vũ trụ hiện tại của chúng ta là khó khăn, vì vậy bạn sẽ cần một cơ chế cho điều đó. Dù sao, +1.

— pela

@peta: Không có bằng chứng nào cho thấy vũ trụ là vô cùng lớn - đó là suy đoán thuần túy. Tất cả những gì chúng ta có thể nói từ quan sát là ít nhất ~ 10 lần những gì chúng ta quan sát. Bất kể, chúng ta có thể nói rằng những gì chúng ta thấy làm cho vũ trụ luôn khó tồn tại. Và cho dù bạn có cho rằng các dịch chuyển màu đỏ phản ánh sự giãn nở toàn cầu hay không, những gì chúng ta quan sát trông rất giống một vũ trụ, đó là một plasma rất, rất nóng, rất, rất đậm đặc, làm nguội và loãng và bắt đầu hình thành các ngôi sao và thiên hà ~ 10 tỷ những năm trước

— Mark Olson

1

Chắc chắn, kích thước của Vũ trụ của chúng ta không thực sự là quan điểm của tôi, mặc dù không có bằng chứng nào chống lại nó là vô hạn (đó là lý do tại sao tôi viết "dường như"). Dù sao, tôi chắc chắn đồng ý về phần bắt đầu nóng.

— pela

3

$z$ $(1+z)$

$1$

Lưu ý rằng đây không phải là xác minh của Vũ trụ đang giãn nở, chỉ có các thiên hà di chuyển ra xa nhau. Nếu Vũ trụ tĩnh, nhưng các thiên hà di chuyển trong không gian, bạn sẽ quan sát các quá trình giãn nở theo cùng một yếu tố, như được dự đoán bởi thuyết tương đối đặc biệt . Tuy nhiên, có những bằng chứng khác cho thấy các thiên hà không di chuyển qua một không gian tĩnh, mà thay vào đó, nằm yên ít nhiều trong một không gian mở rộng.

— pela
nguồn

cái này hay đấy! bạn có thể đưa ra gợi ý về "... bằng chứng cho thấy các thiên hà không di chuyển qua một không gian tĩnh, nhưng thay vào đó ..." có thể là gì không?

— uhoh

1

Ω_{M}

$\Omega_\mathrm{M}$

Ω_{Λ}

$\Omega_\Lambda$

23

$23$

σ

$\sigma$

Tôi sẽ không bao giờ thực sự hiểu các chấm trên bong bóng hoặc nho khô trong bánh nho khô , nhưng tôi có được ý tưởng chung. Tôi sẽ cố gắng lội qua những cái đó, cảm ơn!

— uhoh

Bạn có thể trích dẫn bất kỳ giấy tờ nào vẽ đường cong tăng / giảm cho nhiều siêu tân tinh Loại 1a ở các ca / khoảng cách màu đỏ khác nhau (có hoặc không có bù sáng) không? Tất cả các bài báo tôi đã xem chỉ thảo luận về một sự kiện duy nhất, tập trung vào các quang phổ riêng lẻ hoặc không trích dẫn các phép đo ban đầu. Thông thường tôi chỉ làm theo các trích dẫn của bài báo nhưng cách tiếp cận đó làm tôi thất vọng vì chủ đề này.

— Alex Hajnal

@AlexHajnal Hãy xem Guy et al. (2005) mô tả mã SALT. Điều này đưa ra một khuôn mẫu cho độ sáng như là một hàm của thời gian, trong các dải bước sóng khác nhau và cho các độ sáng cực đại khác nhau (điều khiển hệ số giãn). Các lightcurves không nên phát triển với redshift mặc dù (hy vọng).

— pela

1

Đúng:

Phân phối dữ liệu siêu tân tinh 1a
Các phép đo WMAP của CMB
Khảo sát bầu trời thiên hà Sloan (danh mục các thiên hà)

Điều quan trọng là những kết quả này không chỉ nói giống nhau mà còn tương ứng với nhau .

— peterh - Phục hồi Monica
nguồn

Làm thế nào là mỗi trong số các thay đổi màu đỏ độc lập?

— Alex Hajnal

1

@AlexHajnal Vâng, thực sự không ai trong số họ một mình. Nhưng đó là những tương ứng (và cũng cung cấp độ cong toàn cầu và hằng số vũ trụ), nó là.

— peterh - Phục hồi Monica

1

Vì vậy, kết hợp với nhau họ làm giảm nhu cầu thay đổi màu đỏ làm bằng chứng?

— Alex Hajnal

-1

OK, câu trả lời này liên quan đến ca làm việc đỏ nhưng hãy nghe tôi nói.

Theo Thuyết tương đối rộng, nhiều cơ chế có thể tạo ra các dịch chuyển đỏ: mở rộng không gian, các vật thể chuyển động so với người quan sát (tức là chúng ta) và ánh sáng di chuyển ra khỏi trọng lực tốt. Tùy chọn thứ hai nằm ngoài phạm vi của câu hỏi này và tùy chọn trước được loại trừ khỏi xem xét theo yêu cầu của người hỏi. Điều đó chỉ để lại tùy chọn thứ hai (chuyển động tương đối, còn gọi là hiệu ứng Doppler tương đối tính) đang được xem xét; sự dịch chuyển này có thể (và đã được) thử nghiệm ở đây trên Trái đất và đã được chứng minh là tồn tại.

$z=0.5$ $z>1$ $z=11.09$

Cho rằng không có vật thể nào có khối lượng có thể đạt tới tốc độ ánh sáng, rõ ràng sự dịch chuyển màu đỏ quan sát được có thể được gây ra bởi chuyển động tương đối tính. Vì không có cơ chế nào được biết đến ngoài ba cơ chế được liệt kê ở trên có thể gây ra dịch chuyển đỏ trong quang phổ (so sánh tuyệt chủng ), nên lời giải thích duy nhất phù hợp với những quan sát này là sự giãn nở của không gian. Nói một cách ngắn gọn, thực tế là những thay đổi màu đỏ siêu âm được quan sát thấy ở tất cả là bằng chứng cho thấy không gian đang mở rộng.

— Alex Hajnal
nguồn

1

z = v / c

$z = v/c$

z \sim 0.1

$z\sim0.1$

1 + z = \sqrt{\frac{1 + v / c}{1 - v / c}}

$1+z = \sqrt{\frac{1+v/c}{1-v/c}}$

v = 0.986 c

$v=0.986c$