關於膨脹宇宙的理論已被廣泛接受,以至於有時將紅移用於衡量到遙遠星系的距離。
但是紅移是否仍有可能是由某些未知因素引起的
除了紅移以外,是否還有其他證據證明宇宙確實在膨脹並且遠離我們的銀河系?
關於膨脹宇宙的理論已被廣泛接受,以至於有時將紅移用於衡量到遙遠星系的距離。
但是紅移是否仍有可能是由某些未知因素引起的
除了紅移以外,是否還有其他證據證明宇宙確實在膨脹並且遠離我們的銀河系?
是的,有直接的,非紅移的膨脹跡象。
直接測量了宇宙微波背景輻射(CMBR)的過去溫度,發現其溫度遠高於實際溫度。今天。隨著時間的流逝其溫度降低是膨脹的直接證據。以下是詳細信息:
根據本文,CMBR在過去可測得比較熱(技術簡介此處)。研究人員觀察到位於遙遠星系的氣體雲中的吸收線,發現只有當吸收時的CMBR溫度在6K至14K之間(現在為3K)時,才能解釋所看到的線的模式。這個溫度與該星系的紅移的預期溫度一致(9 K)。請注意,溫度是根據看到的特定線型測量的,而不是根據紅線移動了多少來測量的;即使沒有紅移,該測量也會產生相同的溫度。由於溫度較高意味著密度較高,因此隨著時間的流逝,CMBR的這種冷卻是宇宙膨脹的直接證據。
其他評論
紅移線和吸收線之間的關係是什麼?
在評論中與uhoh的對話啟發了這一點:
在我的回答中,我指的是“吸收線”的“模式”。對於那些不熟悉該主題的人,請允許我解釋一下。
當光線穿過氣體雲時,特定頻率的光會被吸收。然後,當該光通過棱鏡照射時,被阻塞的頻率將在頻譜中顯示為黑線(請參見下圖)。出現的確切線及其在光譜中的位置(“吸收線”的“模式”)取決於氣體中存在的元素和氣體的環境。用在所有頻率下都發出光子的光可以最清楚地看到這種效果。這種光被稱為黑體輻射。儘管黑體輻射器會在所有頻率下發光,但它在特定波長下會發光最多。該峰的位置稱為黑體的溫度。問題中討論的CMBR是黑體輻射的一個例子。
來源:多普勒頻移,愛德華·萊特(Edward L. Wright)
(優秀的BTW網站,常見問題解答值得一看,以獲取有關紅移和一般宇宙學的更多信息) sup>
穿過(擴展)空間,它的波長和吸收線的波長在所有頻率下都以固定的速率延伸。假設在發射/吸收時,光譜顯示的波長為1、3和5nm 1 sup>的線。在光子傳播了一定時間後,所有光譜的波長似乎都增加了一倍 2 sup>。以前在1 nm處的線現在在2 nm處可見,現在在3 nm處的線現在在6 nm處可見,現在在5 nm處的線現在在10 nm處可見。儘管它們的絕對頻率會隨著時間而變化,但這些線的波長(和頻率)相對於彼此的比率仍保持恆定。
給定對象的光譜偏移的精確量與其距離直接相關。如上圖所示,靠近的物體(如太陽)沒有出現紅移。當人們越來越遠地看物體時,人們會看到越來越多的紅移 3 sup>。
在以上答案的討論中,就是這種模式吸收時受CMBR溫度影響的管線中的相對位置,而不是管線移位的程度。
1 sup>從技術上講,此點位於 $ z = 0 $ span>,其中 $ z $ span>表示移動幅度,紅移(移開)為正,藍移(接近)移為負。可以在此處找到對該主題(包括 $ z $ span>的精確定義)的更深入討論。 sup> 2 sup>波長加倍(頻率減半)點位於 $ z = 1 $ span> sup>
3 sup>應該注意的是,由於宇宙膨脹的速度存在一定的不確定性,因此紅移並不是指精確已知的距離。因此,天文學家和宇宙學家很少使用絕對距離(例如光年或秒差距)來指代到遙遠物體的距離,而是寧願使用觀測到的紅移量( $ z $ span>上面提到的。)
紅移背後的機制不是光子本身在變化,而是電磁波的空間正在通過擴展。 (光子既是粒子又是波;不,這不是完全直觀的。)空間的這種不斷擴展會拉伸光的波長,從而既引起紅移的影響,又給定光子的紅移隨時間增加。
紅移與CMBR有何關係?
Alchimista在評論中問:“ CMBR確實是紅移的精髓所在嗎?”
(我假設您使用的是普通的,而不是宇宙學的,意思是是的,
是的,通常認為當前的CMBR溫度(3 K)是在大爆炸之後大約380,000年發射出的相對較高能量的光子(3000 K)的結果。隨著宇宙向著光譜的紅色(即較低能量或較低能量)端的擴展,它們的波長隨時間延長。哈勃等人的發現是這種擴展,它是由較小和較暗的星系(從地球上觀察到的)的光譜位移較大而得出的。表觀距離越遠,觀察到的偏移越大。使用這種明顯的與距離相關的紅移,我們可以推斷過去的宇宙較小,因此CMBR的溫度較高時密度更高。基於觀察到的遙遠星系的紅移,我們可以推斷出但不能直接測量每個距離處的CMBR溫度。
以上論文的作者所做的是使直接測量過去特定時間的CMBR溫度。測得的溫度高於今天的溫度,這意味著更緊密的宇宙,因此更小的宇宙。研究人員進一步發現,直接測量的溫度與根據所研究的銀河系的紅移推斷的溫度恰好相符。
總而言之,推斷鍊被交換了:
這兩個基於不同證據集的推理鏈巧妙地互補和補充。
需要注意的一件事是,CMBR不是通過擴展(至少不是直接)來“創建”的,而是通過擴展來解釋其當前的溫度和均勻性。根據大爆炸理論,早期宇宙非常密集。如此密集而又熾熱,所有物質都是亞原子粒子的等離子體,對光子而言是不透明的。在大爆炸之後的大約380,000年,宇宙已經冷卻(通過膨脹)到足以使質子和電子結合而形成中性的氫氣(透明的)。 CMBR是此時釋放的燈,此後一直在冷卻。
沒有其他合理的直接方法,但是肯定有間接方法。在@Alex Hajnal的回答中,一個更高的CMB溫度是一個非常好的間接測量。
另一項間接證據(至今沒有人注意到)是,隨著我們的深入研究向外看,宇宙看起來越來越年輕,越來越不像我們在附近看到的那樣。您幾乎被迫通過科學的方式來解釋這一點,說宇宙的起源大約是在100億年前,而那時恆星和星系才開始形成。 (這並不是專門證明“大爆炸”的證據,但是它確實消除了它的大多數替代方法。例如,“穩態”模型是偽造的。)很難解釋我們所看到的東西,除了由於宇宙膨脹從熱的緻密狀態10 10 sup>年前。
更多相對間接的證據來自廣義相對論,它是一種關於空間,時間和引力的理論,已經得到了非常廣泛的驗證。經過一個世紀的測試,並受到其他無數理論的挑戰,只有GR通過了所有實驗測試。 GR強有力地預測,靜態宇宙是不可能的,它必須正在擴展或收縮。這是大部分地方實驗的間接證據。
還有更多間接證據來自微核合成計算,這些計算表明,我們在最老和演化最少的恆星中觀察到的H / He / Li比正是我們所預測的
除了紅移以外,還有很多科學知識,它們指向宇宙從初始的非常熱的稠密狀態擴展而來。
即使沒有觀察到紅移,我們最終還是不得不得出這個結論。
除了其他答案提供的間接證據外,我們看到物理過程的事實也為星系彼此遠離提供了有力的驗證,例如超新星的亮度下降時間-增加,距離越遠。對於紅移為 $ z $ span>的源,觀察到的時間膨脹的量為 $(1 + z)$ span>,完全符合正在擴展的宇宙中廣義相對論的預期。
即,觀察到超新星的紅移為 $ 1 $ span>作為本地超新星的衰落所需的時間是其兩倍。
請注意,儘管這並不是對膨脹中的宇宙的驗證,僅是銀河系彼此遠離其他。如果宇宙是靜態的,但是星系在上移動空間,您將觀察到由 special 相對論所預測的因相同因素而膨脹的過程。但是,還有其他證據表明,星係不會在靜態空間中移動,而是或多或少地躺在擴展的空間中。
是:
重要的是,這些結果不僅說明相同,而且彼此相互對應。
好的,這個答案涉及紅移,但是請聽我說。
在廣義相對論下,多種機制可以產生紅移:空間擴大,物體相對於觀察者(即我們)的相對移動,和光線很好地脫離重力。後者的選擇超出了此問題的範圍,而前者應詢問者的要求而排除在考慮範圍之外。這只考慮了第二種選擇(相對運動,又稱相對論多普勒效應);這種偏移可以在地球上進行測試,並且已經證明存在。
在所有顯然遙遠的物體(暗淡,低金屬性等)中都觀察到了紅移。根據在任何給定物體中看到的光譜的紅移,我們可以確定其離開我們的速度有多快。例如,一個測得的紅移為 $ z = 0.5 $ span>的物體正以大約一半的光速離開我們。到現在為止還挺好。當我們觀察帶有 $ z>1 $ span>的對象時,就會出現問題。已經發現了許多這樣的物體。當前的記錄保存者是 GN-z11,其紅移為 $ z = 11.09 $ span>。換句話說,如果只進行相對論性移動,那麼該物體將以超過光速11倍的速度離開我們。
鑑於沒有質量的物體可以達到光速,顯然觀察到的紅移不能由相對論運動引起。由於除了上面列出的三種之外,沒有其他已知的機制可以導致光譜中的紅移 (比較消光),因此與這些觀察結果匹配的唯一解釋是空間的擴展。簡而言之,完全觀察到超腔紅移的事實證明了空間正在擴大。