題:
除了紅移以外,還有其他證明宇宙膨脹的證據嗎?
cuckoo
2019-01-06 10:29:42 UTC
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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?

宇宙並沒有膨脹,只是在接觸熱浴;)
人們不認為星係正在彼此遠離。模式是空間在擴大。這是兩種不同的方案。
六 答案:
Alex Hajnal
2019-01-07 12:34:50 UTC
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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。

    Red shift over cosmological distances
    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。

    Light is a PwARaTIvCLeE!
    Douglas Hofstadter,CC A-SA 3.0 sup>

  • 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:

    • 基於紅移的推理:
      視距增加紅移(直接測量)⇒擴展⇒過去的Denser Universe⇒過去的CMBR溫度較高。
    • 對於直接測量過去的溫度(與本文一樣):
      過去更高的CMBR溫度(直接測量)⇒過去的Denser宇宙⇒擴展⇒觀察到紅移。

    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。

“線的圖案”是指相對強度的圖案嗎?
@uhoh指的是來自遙遠(IIRC)類星體的光通過中間星系中的氣雲看到的吸收線(光譜中的暗點)的圖案。所看到的模式取決於所存在的元素及其所處的環境。
我問“線型”是什麼意思,而不是什麼原因造成的。圖案可以是一組波長比率,也可以是一組強度比率,或者可以是其他形式。什麼樣的模式?什麼模式?
@uhoh圖案是光譜中缺少的深色部分(“線條”)。參見頂部圖片:https://en.m.wikipedia.org/wiki/Spectral_line
好的,事實是,對於一組線,紅移後的波長比不會改變。如果要在對數波長范圍(而不是線性範圍)上繪製光譜,則“模式”在紅移(多普勒頻移)下將是不變的。得到它了。
對,那是正確的。 [此圖片](http://www.astro.ucla.edu/~wright/redshift.gif)([來源](http://www.astro.ucla.edu/~wright/doppler.htm))這很好(圖像顯示在宇宙學範圍內紅色偏移的吸收線在每個距離上具有相同的吸收模式,只是發生了偏移)。 IOW,紅色偏移頻譜中所有行的偏移量是相同的。
@uhoh這可能很有趣:https://astrobites.org/2013/07/14/astrophysical-classics-neutral-hydrogen-in-the-universe-part-1/
我理解這個概念,我試圖說明您答案中的“線條圖案”一詞含糊不清,因此,如果您在帖子中對其進行說明,將是一個好主意,因為它是一個重要的概念。您的[image](https://i.stack.imgur.com/xXBZg.gif)可以很好地做到這一點(並且它具有對數波長范圍!),所以也許該鏈接以及其他鏈接都可以添加到您的答案中。
CMBR實際上不是紅移的精髓嗎?
我不反對你的回答。只是想一想,實際上不進行擴展就不應該存在CMBR。然後,更多的事情重合,即使在細節上更好。這或多或少是我的想法。不擴展就如何證明CMBR合理?
@Alchimista“我們如何在不擴展的情況下證明CMBR的合理性?”那裡還有其他假設,但到目前為止,所有這些假設都未能解釋所觀察到的證據的一個方面或另一個方面。另一方面,大爆炸理論(擴展)很好地解釋了觀察到的證據。
是的,但是冷卻是膨脹的。否則,它已經過去了。無論如何,我怕我們說同樣的話:)
@Alchimista需要澄清的一件事:CMBR永遠也不會完全超越我們。它無處不在,無​​處不在。無論我們的位置經過了多少次,都將有更多的地方來替換它。
是的,但這來自擴展。沒有擴展,該機制將無法正常工作。與以前一樣。感謝您的關注,當然!
@Alchimista缺乏解釋並不是斷言某種解釋的理由。我接受擴展敘述本質上是目前對這組事實的唯一明智的解釋,但是僅憑這一點不足以斷言這是最好的解釋。我們需要更多的解釋,以便在經驗上將它們相互權衡。
@Alchimista我很好奇,您將其歸因於哪種假設,它如何更好地符合所觀察到的證據(尤其是CMBR)?我對什麼替代機制(除通貨膨脹之外)可以解釋CMBR的產生,統一性和普遍性特別感興趣。
我沒有提出假設!我是說CMBR是zshift的佼佼者!不要忘記我們的討論是如何開始的。我們對擴張的所有觀察都源於這種轉變。這是我在《任擇議定書》問題中所說的。精細。
也許您給出的最後一個示例更加複雜,因為它確實在兩個不同的時間評估了zshift。
恢復:1)我支持擴展2)我的評論必須在OP的問題範圍內看待。我在其中說,在我看來所有觀察都歸結為z偏移。 (沒有懷疑,沒有其他假設在這裡還沒有被忽略)。
-1
@Alchimista請注意,我不是在攻擊您,只是在試圖了解您的位置。我認為您是在說您相信膨脹存在,但是您看不出任何方法可以證明其存在,而無需測量紅移或溫度變化。我引用的論文測量了過去CMBR的“絕對”溫度(不涉及紅移)。由於測得的溫度高於今天測得的溫度,因此宇宙一定比那時更緻密(因而更小)。由於當時密度更大/更小,密度更低/更大,所以現在肯定已經發生了擴展。
@N.Steinle您能為CMBR的起源和特徵提供替代解釋嗎?嚴重的問題,我真的很想知道。我個人認為,絕大多數證據都支持以擴大為機制。如果還有其他適合所有證據的假設,儘管我對閱讀它們很感興趣。
是的,明白這一點。確實很有趣。
@Alchimista我只想指出,缺乏解釋並不是確認某些解釋的理由。
@AlexHajnal否。但是,我要開始的地方是思考宇宙如何與之相互作用的“環境”-可以由此構想一種機制。
Layla
2019-01-06 14:28:35 UTC
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但是紅移是否仍有可能是由某些未知現象引起的,而不是由星系彼此遠離而引起的?

歷史上提出了一些替代理論,例如疲倦的光假設穩態宇宙等。但是觀察排除了這些理論和其他理論

參見也替代宇宙學

Mark Olson
2019-01-08 21:30:18 UTC
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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。

我們不是看到更年輕的星系,這不是說光以有限的速度傳播嗎?一個(以某種方式)靜態宇宙將表現出相同的特徵。
當我們向外觀察太空時(時光倒流),宇宙看起來更年輕的唯一方法是,當時它是否更年輕。在這種情況下,它正在從年輕演變為年長,並且必須有一個開始。在靜態宇宙中,即使沒有奇異之處來解決棘手的問題,起點也很笨拙。
但是,即使一個擴展的宇宙也可以誕生無限大(實際上我們似乎已經出生過),所以我不容易看到為什麼靜態宇宙也不能誕生無限大的原因,然後開始形成結構。但是,當然要在像我們當前的宇宙這樣稀薄的宇宙中形成結構是困難的,因此您需要一種機制。無論如何,+ 1。
@peta:沒有證據表明宇宙是無限大的-這純粹是推測。從觀察中我們可以說的是,它至少是我們觀察到的10倍。無論如何,我們可以*說*,我們所看到的使宇宙很難一直存在。而且,無論您是否假設紅移都反映了宇宙的膨脹,我們觀察到的東西看起來很像是一個非常非常熱非常稠密的等離子體,它經過冷卻和稀釋後開始形成約100億個恆星和星系幾年前。
當然,_our_ Universe的大小並不是我真正的觀點,儘管也沒有證據表明它也_infinite_(這就是我寫“似乎”的原因)。無論如何,我絕對同意最熱的開始部分。
關鍵不是擴展是否合理。如果在使用不涉及移位的方法時觀察到了這種情況。但是沒問題。我不是在爭論,但在我看來,這裡的一切都紮根於所見z。首先是cmbr。看著cmbr反正看著z。這是我的意思。尚不清楚的是,較低的T正好是一個紅移。
pela
2019-01-08 22:11:13 UTC
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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。

這很酷!您能否暗示一下“……星係不會在靜態空間中移動,而是……的證據”是什麼?
@uhoh如果您為GR框架內的不同宇宙計算超新星(或任何其他標準蠟燭)的量應如何隨紅移而減小,則可以適合觀測以獲得最合適的宇宙學。這是獲得$ \ Omega_ \ mathrm {M} $和$ \ Omega_ \ Lambda $的一種方法。如果您隨後以正常的SR多普勒效應做同樣的事情,您會發現觀測值以$ 23 $$ \ sigma $的價格排除了該模型(對於[Perlmutter(1999)] ph / 9812133)數據)。參見例如[Davis&Lineweaver(2004)](https://arxiv.org/abs/astro-ph/0310808)。
我永遠不會真正理解氣球上的點[或葡萄乾蛋糕上的葡萄乾](https://physics.stackexchange.com/q/251700/83380),但我有一個大致的了解。我會盡力克服這些,謝謝!
您能引用任何以不同的紅移/距離(帶有或不帶有亮度補償)繪製多個1a型超級小說的上升/下降曲線的論文嗎?我見過的所有論文都只討論一個事件,只關注單個光譜,或者不引用原始測量結果。通常,我只是遵循論文的引文,但這種方法使我無法勝任該主題。
@AlexHajnal看看[Guy等。 (2005)](https://arxiv.org/abs/astro-ph/0506583),其中描述了SALT代碼。這提供了一個模板,該模板用於在不同波長帶和不同峰值亮度(控制拉伸因子)下隨時間變化的亮度。但是(希望)光曲線不應該隨_redshift_一起演化。
紅移$ z $處的時間膨脹會具有什麼相對論?
@RobJeffries將完全等於(1 + z);因此觀察到的時間膨脹無法區分GR和SR。
peterh - Reinstate Monica
2019-01-07 13:15:15 UTC
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是:

  1. CMB 1li超新星數據的分佈
  2. 斯隆星系天空調查的WMAP測量結果(星系目錄)
  3. ol>

    重要的是,這些結果不僅說明相同,而且彼此相互對應。

這些紅移如何獨立?
@AlexHajnal好吧,實際上他們一個人都沒有。但是,它們是對應的(並且還給出了整體曲率和宇宙常數)。
綜上所述,它們消除了紅移的必要性嗎?
Alex Hajnal
2019-01-11 13:57:17 UTC
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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。

您已假設SR _low-redshift_近似值$ z = v / c $,僅對$ z \ sim0.1 $有效。但是“完整”公式為$ 1 + z = \ sqrt {\ frac {1 + v / c} {1-v / c}} $,例如如果GN-z11在距離我們$ v = 0.986c $的空間中移動時,其紅移為11。


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 4.0許可。
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