11.7: Big Bang
- Page ID
- 175222
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza upanuzi wa ulimwengu kwa suala la grafu ya Hubble na redshift ya cosmological
- Eleza mlinganisho kati ya upanuzi wa cosmological na puto kupanua
- Tumia sheria ya Hubble kufanya utabiri kuhusu kasi ya kipimo cha galaxi za mbali
Tumekuwa tukijadili chembe za msingi, ambazo ni baadhi ya mambo madogo tunaweza kujifunza. Sasa tutachunguza kile tunachokijua kuhusu ulimwengu, jambo ambalo ni jambo kubwa tunaweza kujifunza. Uhusiano kati ya mada hizi mbili ni nishati ya juu: Utafiti wa mwingiliano wa chembe unahitaji nguvu za juu sana, na nguvu za juu tunazojua kuhusu kuwepo wakati wa mageuzi ya awali ya ulimwengu. Baadhi ya fizikia wanafikiri kwamba nadharia za nguvu za umoja ambazo tulielezea katika sehemu iliyotangulia zinaweza kuwa zimeongoza tabia ya ulimwengu katika nyakati zake za mwanzo.
Sheria ya Hubble
Mwaka wa 1929, Edwin Hubble alichapisha mojawapo ya uvumbuzi muhimu zaidi katika astronomia ya kisasa. Hubble aligundua kwamba
- galaxies kuonekana kwa hoja mbali na Dunia na
- kasi ya uchumi (\(v\)) ni sawia na umbali (\(d\)) wa galaxy kutoka duniani.
Wote\(v\) na\(d\) wanaweza kuamua kutumia spectra mwanga wa stellar. fit bora kwa sampuli data unaonyesha ni kutolewa katika Kielelezo\(\PageIndex{1}\). (Hubble ya awali njama alikuwa kutawanya makubwa lakini mwenendo wa jumla bado dhahiri.)
Mwelekeo katika data unaonyesha uhusiano rahisi wa uwiano:
\[v = H_0d, \nonumber \]
ambapo\(H_0 = 70 \, km /s /Mpc\) inajulikana kama mara kwa mara Hubble ya. (Kumbuka: 1 Mpc ni megaparsec moja au parsecs milioni moja, ambapo parsec moja ni 3.26 miaka ya mwanga.) Uhusiano huu, unaoitwa sheria ya Hubble, unasema kwamba nyota za mbali na galaxi zinatupungua mbali na sisi kwa kasi ya kilomita 70/s kwa kila megaparsec ya umbali kutoka kwetu. Mara kwa mara ya Hubble inafanana na mteremko wa mstari kwenye Kielelezo\(\PageIndex{1}\). Mara kwa mara ya Hubble ni kidogo ya misnomer, kwa sababu inatofautiana na wakati. Thamani iliyotolewa hapa ni thamani yake tu leo.
Tazama video hii ili ujifunze zaidi kuhusu historia ya mara kwa mara ya Hubble.
Kiwango ambacho ulimwengu unapanua, thamani inayojulikana kama mara kwa mara ya Hubble, imejadiliwa sana kwa miaka 80 iliyopita. Sasa mkurugenzi wa Carnegie Observatories, Wendy Freedman, itasababisha timu ambayo kupunguza kutokuwa na uhakika wa thamani hii kwa 3% tu kupitia mpya Carnegie Hubble Programu kwa kutumia NASA nafasi makao Spitzer darubini.
Sheria ya Hubble inaeleza tabia ya wastani ya yote lakini galaxi zilizo karibu zaidi. Kwa mfano, Galaxy 100 Mpc mbali (kama ilivyopangwa na ukubwa wake na mwangaza) kawaida huenda mbali na sisi kwa kasi ya
\[v = \left( \left( 70 \frac{km}{s}\right)/Mpc \right) (100 \, Mpc) = 7000 \, km/s. \nonumber \]
Kasi hii inaweza kutofautiana kutokana na mwingiliano na galaxi jirani. Kinyume chake, ikiwa galaksi inapatikana kuwa ikiondoka kwetu kwa kasi ya kilomita 100,000 kulingana na mabadiliko yake nyekundu, iko mbali
\[d = v/H_0 = (10,000 \, km/s)/ \left( \left( 70 \frac{km}{s}\right) /Mpc \right) = 143 \, Mpc. \nonumber \]
Hesabu hii ya mwisho ni takriban kwa sababu inadhani kiwango cha upanuzi kilikuwa sawa miaka bilioni 5 iliyopita kama ilivyo sasa.
Big bang Model
Wanasayansi ambao wanasoma asili, mageuzi, na hatima ya mwisho ya ulimwengu (cosmology) wanaamini kwamba ulimwengu ulianza katika mlipuko, unaoitwa Big Bang, takriban miaka bilioni 13.7 iliyopita. Mlipuko huu haukuwa mlipuko wa chembe kupitia nafasi, kama fireworks, lakini upanuzi wa haraka wa nafasi yenyewe. Umbali na kasi za nyota za nje na galaxi zinatuwezesha kukadiria wakati mambo yote katika ulimwengu yalikuwa pamoja-mwanzoni mwa wakati.
Wanasayansi mara nyingi huelezea upanuzi wa Big Bang kwa kutumia mfano wa puto ulioingizwa (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Dots alama juu ya uso wa puto kuwakilisha galaxies, na ngozi ya puto inawakilisha nne-dimensional nafasi wakati. Kama puto ni umechangiwa, kila dot “anaona” dots nyingine kusonga mbali. Mfano huu hutoa ufahamu wawili. Kwanza, upanuzi unazingatiwa na waangalizi wote ulimwenguni, bila kujali wapi. “Kituo cha upanuzi” haipo, hivyo Dunia haishi katika kituo cha “upendeleo” cha upanuzi.
Pili, kama ilivyoelezwa tayari, upanuzi wa Big Bang ni kutokana na upanuzi wa nafasi, sio kujitenga kwa galaxies katika nafasi ya kawaida (tuli) tatu-dimensional. Upanuzi huu wa cosmological huathiri vitu vyote: vumbi, nyota, sayari, na hata mwanga. Hivyo, wavelength ya mwanga (\(\lambda\)) iliyotolewa na galaxies mbali ni “aliweka” nje. Hii inafanya mwanga kuonekana “redder” (nishati ya chini) kwa mtazamaji-jambo linaloitwa cosmological redshift. Ubadilishaji wa kosmolojia unapimika tu kwa galaxi mbali zaidi ya miaka ya mwanga milioni 50.
Galaksi inadhibitiwa kuwa na mabadiliko ya redshift:
\[z = \frac{\lambda_{obs} - \lambda_{emit}}{\lambda_{emit}} = 4.5. \nonumber \]
Thamani hii inaonyesha galaxy inayohamia karibu na kasi ya nuru. Kutumia formula ya redshift ya relativistic (iliyotolewa katika Relativity), onyesha:
- Je! Galaksi inapungua kwa kasi gani kwa heshima ya Dunia?
- Galaksi iko mbali gani?
Mkakati
Tunahitaji kutumia formula ya Doppler ya relativistic kuamua kasi kutoka kwa redshift na kisha kutumia sheria ya Hubble ili kupata umbali kutoka kasi.
Suluhisho
- Kwa mujibu wa formula ya redshift ya relativistic:\[z = \sqrt{\frac{1 + \beta}{1 - \beta}} - 1, \nonumber \] wapi\(\beta = v/c\). Kubadilisha thamani ya z na kutatua\(\beta\), tunapata\(\beta = 0.93\). Thamani hii ina maana kwamba kasi ya galaxy ni\(2.8 \times 10^8 \, m/s\).
- Kwa kutumia sheria ya Hubble, tunaweza kupata umbali wa galaxi ikiwa tunajua kasi yake ya kushuka kwa uchumi:\[d = \frac{v}{H_0} = \frac{2.8 \times 10^8 \, m/s}{73.8 \times 10^3 \, m/s \, per \, Mpc} = 3.8 \times 10^3 \, Mpc. \nonumber \]
Umuhimu
Galaksi za mbali zinaonekana kusonga haraka sana mbali na Dunia. Redshift ya starlight kutoka galaxies hizi inaweza kutumika kuamua kasi sahihi ya uchumi, juu\(90%\) ya kasi ya mwanga katika kesi hii. Mwendo huu hautokana na mwendo wa galaksi kupitia angani bali kwa upanuzi wa nafasi yenyewe.
Nuru ya galaxi inayoondoka kwetu ni “redtriffed.” Ni nini kinachotokea kwa nuru ya galaxi inayoelekea kwetu?
- Jibu
-
bluu-kubadilishwa
Tazama video hii ili ujifunze zaidi kuhusu upanuzi wa cosmological.
Ulimwengu wa Kupanua.
Muundo na Mienendo ya Ulimwengu
Kwa mizani kubwa, ulimwengu unaaminika kuwa wote isotropic na homogeneous. Ulimwengu unaaminika kwa isotropic kwa sababu inaonekana kuwa sawa katika pande zote, na ni sawa kwa sababu inaonekana kuwa sawa katika maeneo yote. Ulimwengu ambao ni isotropic na homogeneous unasemekana kuwa laini. Dhana ya ulimwengu laini ni mkono na Automatiska Plate Upimaji Galaxy Survey uliofanywa katika miaka ya 1980 na 1900 (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)). Hata hivyo, hata kabla ya data hizi zilikusanywa, dhana ya ulimwengu laini ilitumiwa na wanadharia ili kurahisisha mifano ya upanuzi wa ulimwengu. Dhana hii ya ulimwengu laini wakati mwingine huitwa kanuni ya cosmological.
Hatima ya ulimwengu huu wa kupanua na laini ni swali la wazi. Kwa mujibu wa nadharia ya jumla ya relativity, njia muhimu ya tabia ya hali ya ulimwengu ni kwa njia ya metri ya muda:
\[ds^2 = c^2dt^2 - a(t)^2 d\Sigma^2, \nonumber \]
ambapo c ni kasi ya mwanga, ni sababu ya kiwango (kazi ya muda), na\(d\Sigma\) ni kipengele cha urefu wa nafasi. Katika kuratibu za spherical\((r, \theta, \phi)\), kipengele hiki cha urefu kinaweza kuandikwa
\[d\Sigma^2 = \frac{dr^2}{1 - kr^2} + r^2(d\theta^2 + sin^2 \theta d\varphi^2), \nonumber \]
ambapo k ni mara kwa mara na vitengo vya eneo la inverse linaloelezea ukingo wa nafasi. Hii mara kwa mara inatofautiana kati ya ulimwengu wa wazi, kufungwa, na gorofa:
- \(k = 0\)(ulimwengu wa gorofa)
- \(k > 0\)(ulimwengu uliofungwa, kama vile nyanja)
- \(k < 0\)(ulimwengu wazi, kama vile hyperbola)
Kwa upande wa sababu ya kiwango a, metri hii pia inatofautiana kati ya ulimwengu wa tuli, kupanua, na kushuka:
- \(a = 1\)(ulimwengu tuli)
- \(da/dt > 0\)(kupanua ulimwengu)
- \(da/dt < 0\)(ulimwengu wa kushuka)
Sababu ya kiwango na curvature k ni kuamua kutoka nadharia ya jumla ya Einstein ya relativity. Kama sisi kutibu ulimwengu kama gesi ya galaxies ya wiani\(\rho\) na shinikizo p, na kudhani\(k = 0\) (ulimwengu gorofa), kuliko kiwango sababu a ni iliyotolewa na
\[\frac{d^2a}{dt^2} = - \frac{4\pi G}{3} (\rho + 3p) a, \nonumber \]
ambapo G ni mara kwa mara ya mvuto wa ulimwengu wote. (Kwa jambo la kawaida,\(\rho + 3p\) tunatarajia wingi kuwa mkubwa kuliko sifuri.) Ikiwa sababu ya kiwango ni chanya\((a > 0)\), thamani ya sababu ya kiwango “hupungua”\((d^2a/dt^2 < 0)\), na upanuzi wa ulimwengu hupungua kwa muda. Ikiwa nambari ni chini ya sifuri (kwa namna fulani, shinikizo la ulimwengu ni hasi), thamani ya sababu ya kiwango “huharakisha,” na upanuzi wa ulimwengu unaongezeka kwa muda. Kulingana na takwimu za hivi karibuni za cosmological, ulimwengu unaonekana kupanua. Wanasayansi wengi wanaelezea hali ya sasa ya ulimwengu kwa suala la upanuzi wa haraka sana katika ulimwengu wa mapema. Upanuzi huu unaitwa mfumuko wa bei.