29.2: Mfano wa Ulimwengu

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza jinsi kiwango cha upanuzi wa ulimwengu kinaathiri mageuzi yake
• Eleza uwezekano wa nne wa mageuzi ya ulimwengu
• Eleza kile kinachopanua tunaposema kwamba ulimwengu unapanua
• Kufafanua wiani muhimu na ushahidi kwamba jambo peke yake katika ulimwengu ni ndogo sana kuliko wiani muhimu
• Eleza kile uchunguzi unasema kuhusu uwezekano wa baadaye wa muda mrefu wa ulimwengu

Hebu sasa tutumie matokeo kuhusu upanuzi wa ulimwengu ili tuangalie jinsi mawazo haya yanaweza kutumika ili kuendeleza mfano wa mageuzi ya ulimwengu kwa ujumla. Kwa mfano huu, wanaastronomia wanaweza kufanya utabiri kuhusu jinsi ulimwengu umebadilika hadi sasa na nini kitatokea baadaye.

Ulimwengu wa Kupanua

Kila mfano wa ulimwengu lazima ujumuishe upanuzi tunaochunguza. Kipengele kingine muhimu cha mifano ni kwamba kanuni ya cosmological (ambayo tulijadiliwa katika Mageuzi na Usambazaji wa Galaxies) halali: kwa kiwango kikubwa, ulimwengu wakati wowote ni sawa kila mahali (sawa na isotropic). Matokeo yake, kiwango cha upanuzi lazima kiwe sawa kila mahali wakati wowote wa wakati wowote wa wakati wa cosmic. Ikiwa ndivyo, hatuhitaji kufikiria ulimwengu wote tunapofikiria upanuzi, tunaweza tu kuangalia sehemu yoyote ya kutosha. (Baadhi ya mifano ya nishati ya giza ingewezesha kiwango cha upanuzi kuwa tofauti kwa njia tofauti, na wanasayansi wanajenga majaribio ya kupima wazo hili. Hata hivyo, mpaka ushahidi huo utakapopatikana, tutafikiri kwamba kanuni ya cosmological inatumika ulimwenguni kote.)

Katika galaxies, tuligusia kwamba tunapofikiria upanuzi wa ulimwengu, ni sahihi zaidi kufikiria nafasi yenyewe ikitembea badala ya galaxi zinazohamia kwenye nafasi tuli. Hata hivyo, tumekuwa tukijadili mabadiliko nyekundu ya galaxi kana kwamba yalitokana na mwendo wa galaxi wenyewe.

Sasa, hata hivyo, ni wakati wa hatimaye kuweka mawazo kama rahisi nyuma yetu na kuangalia kisasa zaidi katika upanuzi wa cosmic. Kumbuka kutoka majadiliano yetu ya nadharia Einstein ya relativity jumla (katika sura ya Black Holes na Curved Spacetime) kwamba nafasi-au, kwa usahihi, spacetime-si tu kuongezeka kwa hatua ya ulimwengu, kama Newton mawazo. Badala yake, ni mshiriki kazi-walioathirika na kwa upande wake kuathiri jambo na nishati katika ulimwengu.

Kwa kuwa upanuzi wa ulimwengu ni kuenea kwa muda wote wa nafasi, pointi zote katika ulimwengu zinaunganisha pamoja. Hivyo, upanuzi ulianza kila mahali mara moja. Kwa bahati mbaya kwa mashirika ya utalii ya siku zijazo, hakuna mahali unaweza kutembelea ambapo kuenea kwa nafasi ilianza au ambapo tunaweza kusema kwamba Big Bang ilitokea.

Kuelezea jinsi nafasi inavyoenea, tunasema upanuzi wa cosmic husababisha ulimwengu kufanyiwa mabadiliko ya sare kwa kiwango kwa muda. Kwa kiwango tunamaanisha, kwa mfano, umbali kati ya makundi mawili ya galaxi. Ni desturi ya kuwakilisha kiwango kwa sababu\(R\); ikiwa\(R\) mara mbili, basi umbali kati ya makundi umeongezeka mara mbili. Kwa kuwa ulimwengu unapanua kwa kiwango sawa kila mahali, mabadiliko katika R inatuambia ni kiasi gani kilichopanua (au mkataba) wakati wowote. Kwa ulimwengu tuli, R itakuwa mara kwa mara kama wakati unapita. Katika ulimwengu unaopanua, R huongezeka kwa wakati.

Ikiwa ni nafasi inayoenea badala ya galaxi zinazohamia angani, basi kwa nini galaxi zinaonyesha mabadiliko ya redkatika wigo wao? Wakati ulipokuwa kijana na naïve-sura chache zilizopita—ilikuwa vizuri kujadili mabadiliko nyekundu ya galaxies mbali kama yalitokana na mwendo wao mbali na sisi. Lakini sasa kwa kuwa wewe ni mwanafunzi mzee na mwenye hekima wa cosmology, mtazamo huu hautafanya tu.

Mtazamo sahihi zaidi wa mabadiliko nyekundu ya galaxi ni kwamba mawimbi ya nuru yanatambulishwa na kuenea kwa nafasi wanayosafiri. Fikiria juu ya mwanga kutoka galaxy ya mbali. Unapoondoka kwenye chanzo chake, nuru inapaswa kusafiri kupitia nafasi. Ikiwa nafasi inaenea wakati wote mwanga unasafiri, mawimbi ya mwanga yatatambulishwa pia. redshift ni kunyoosha ya mawimbi-wavelength ya kila ongezeko wimbi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Mwanga kutoka galaxi za mbali zaidi husafiri kwa muda zaidi kuliko mwanga kutoka kwa karibu. Hii ina maana kwamba nuru imetambulisha zaidi ya mwanga kutoka kwa karibu na hivyo inaonyesha redshift kubwa zaidi.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\) Upanuzi na Redshift. Kama uso wa elastic unavyoongezeka, wimbi juu ya uso wake linaenea. Kwa mawimbi ya mwanga, ongezeko la wavelength litaonekana kama redshift.

Hivyo, nini redshift kipimo ya mwanga kutoka kitu inatuambia ni kiasi gani ulimwengu umeongezeka tangu mwanga kushoto kitu. Ikiwa ulimwengu umepanua kwa sababu ya 2, basi wavelength ya mwanga (na mawimbi yote ya umeme kutoka chanzo sawa) yatakuwa mara mbili.

Mifano ya Upanuzi

Kabla wanaastronomia hawajui kuhusu nishati ya giza au kuwa na kipimo kizuri cha kiasi gani kilichopo katika ulimwengu, walitengeneza mifano ya kubahatisha kuhusu jinsi ulimwengu unaweza kubadilika baada ya muda. matukio manne inawezekana ni inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Katika mchoro huu, wakati unaendelea mbele kutoka chini hadi juu, na ukubwa wa nafasi huongezeka kwa miduara ya usawa kuwa pana.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\) Nne Inawezekana Mifano ya Ulimwengu. Mraba ya njano inaonyesha sasa katika matukio yote manne, na kwa wote wanne, mara kwa mara ya Hubble ni sawa na thamani sawa wakati huu. Muda hupimwa katika mwelekeo wa wima. Universes mbili za kwanza upande wa kushoto ni zile ambazo kiwango cha upanuzi hupungua kwa muda. Yule upande wa kushoto hatimaye itapungua, ataacha na kurudi nyuma, kuishia katika “shida kubwa,” wakati moja karibu nayo itaendelea kupanua milele, lakini milele polepole zaidi wakati unapita. Ulimwengu wa “pwani” ni moja ambayo huongezeka kwa kiwango cha mara kwa mara kilichotolewa na mara kwa mara ya Hubble wakati wote wa cosmic. Ulimwengu wa kuharakisha juu ya haki utaendelea kupanua kwa kasi na kwa kasi milele.

Hali rahisi zaidi ya ulimwengu wa kupanua itakuwa moja ambayo\(R\) huongezeka kwa wakati kwa kiwango cha mara kwa mara. Lakini tayari unajua kwamba maisha si rahisi sana. Ulimwengu una wingi mkubwa na mvuto wake hupunguza upanuzi-kwa kiasi kikubwa kama ulimwengu una jambo nyingi, au kwa kiasi kidogo kama ulimwengu ni karibu tupu. Kisha kuna kasi ya kuzingatiwa, ambayo wanaastronomia hulaumu juu ya aina ya nishati ya giza.

Hebu kwanza tuchunguze uwezekano wa uwezekano na mifano kwa kiasi tofauti cha wingi katika ulimwengu na kwa michango tofauti na nishati ya giza. Katika baadhi ya mifano - kama tutakavyoona—ulimwengu unazidi milele. Kwa wengine, huacha kupanua na kuanza mkataba. Baada ya kuangalia uwezekano mkubwa, tutaangalia uchunguzi wa hivi karibuni ambao unatuwezesha kuchagua hali inayowezekana zaidi.

Tunapaswa labda pause kwa dakika kutambua jinsi ya ajabu ni kwamba tunaweza kufanya hivyo wakati wote. Uelewa wetu wa kanuni zinazozingatia jinsi ulimwengu unavyofanya kazi kwa kiwango kikubwa na uchunguzi wetu wa jinsi vitu vilivyo katika ulimwengu vinabadilika kwa wakati vinavyotuwezesha kuiga mageuzi ya ulimwengu wote siku hizi. Ni moja ya mafanikio ya loftiest ya akili ya binadamu.

Nini wanaastronomia wanaangalia katika mazoezi, kuamua aina ya ulimwengu tunayoishi, ni wiani wa wastani wa ulimwengu. Hii ni wingi wa jambo (ikiwa ni pamoja na molekuli sawa ya nishati) ¹ ambayo ingekuwa zilizomo katika kila kitengo cha kiasi (sema, sentimita 1 za ujazo) ikiwa nyota zote, galaxi, na vitu vingine vimechukuliwa mbali, atomu kwa atomu, na kama chembe hizo zote, pamoja na nuru na nishati nyingine, zilikuwa kusambazwa katika nafasi zote na sare kabisa. Ikiwa wiani wa wastani ni mdogo, kuna uzito mdogo na mvuto mdogo, na ulimwengu hauwezi kupungua sana. Kwa hiyo inaweza kupanua milele. Uzito wa wastani wa juu, kwa upande mwingine, inamaanisha kuna uzito zaidi na mvuto zaidi na kwamba kuenea kwa nafasi kunaweza kupunguza kasi ya kutosha kwamba upanuzi hatimaye utaacha. Uzito mkubwa mno unaweza hata kusababisha ulimwengu kuanguka tena.

Kwa kiwango kilichopewa cha upanuzi, kuna wiani muhimu-wingi kwa kiasi cha kitengo ambacho kitakuwa cha kutosha kupunguza kasi ya upanuzi hadi sifuri wakati fulani usio na mwisho katika siku zijazo. Ikiwa wiani halisi ni wa juu kuliko wiani huu muhimu, basi upanuzi hatimaye utabadilisha na ulimwengu utaanza mkataba. Ikiwa wiani halisi ni wa chini, basi ulimwengu utapanua milele.

Hizi uwezekano mbalimbali ni mfano katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Katika grafu hii, mojawapo ya kina zaidi katika sayansi yote, tunachati maendeleo ya kiwango cha nafasi katika ulimwengu dhidi ya kipindi cha muda. Muda huongezeka kwa haki, na ukubwa wa ulimwengu, R, huongezeka zaidi katika takwimu. Leo, kwa uhakika uliowekwa “sasa” pamoja na mhimili wa wakati, R inaongezeka kwa kila mfano. Tunajua kwamba galaxi sasa zinaenea mbali na kila mmoja, bila kujali ni mfano gani unaofaa. (Hali hiyo ana kwa baseball kutupwa juu katika hewa. Wakati inaweza hatimaye kuanguka nyuma chini, karibu na mwanzo wa kutupa ni hatua zaidi kwa kasi zaidi.)

Mistari mbalimbali inayohamia kwenye grafu inafanana na mifano tofauti ya ulimwengu. Mstari wa moja kwa moja ulio sawa unafanana na ulimwengu usio na upungufu bila kupungua; inachukua mhimili wa wakati kwa wakati,\(T_0\) (wakati wa Hubble), katika siku za nyuma. Hii si mfano wa kweli lakini inatupa kipimo cha kulinganisha mifano mingine kwa. Vipande vilivyo chini ya mstari uliopigwa huwakilisha mifano isiyo na nishati ya giza na kwa kiasi tofauti cha kupungua, kuanzia Big Bang kwa nyakati fupi katika siku za nyuma. Curve juu ya mstari dashed inaonyesha nini kinatokea kama upanuzi ni kuharakisha. Hebu tuangalie kwa karibu siku zijazo kulingana na mifano tofauti.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\) Mifano ya Ulimwengu. Grafu hii inahusisha R, ukubwa wa ulimwengu, dhidi ya wakati kwa mifano mbalimbali ya cosmological. Curve 1 inawakilisha ulimwengu ambako wiani ni mkubwa kuliko thamani muhimu; mfano huu unatabiri kwamba ulimwengu hatimaye utaanguka. Curve 2 inawakilisha ulimwengu wenye wiani chini kuliko muhimu; ulimwengu utaendelea kupanua lakini kwa kiwango cha milele-polepole. Curve 3 ni muhimu wiani ulimwengu; katika ulimwengu huu, upanuzi polepole kwa kuacha kubwa mbali katika siku zijazo. Curve 4 inawakilisha ulimwengu unaoharakisha kwa sababu ya madhara ya nishati ya giza. Mstari uliopigwa ni kwa ulimwengu usio na tupu, moja ambayo upanuzi haukupunguzwa na mvuto au kuharakishwa na nishati ya giza. Muda umesisitizwa sana kwenye grafu hii.

Hebu tuanze na Curve 1 katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Katika kesi hii, wiani halisi wa ulimwengu ni wa juu kuliko wiani muhimu na hakuna nishati ya giza. Ulimwengu huu utaacha kupanua wakati fulani baadaye na kuanza kuambukizwa. Mfano huu unaitwa ulimwengu uliofungwa na unafanana na ulimwengu upande wa kushoto katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Hatimaye, kiwango cha matone hadi sifuri, ambayo ina maana kwamba nafasi itakuwa imepungua kwa ukubwa mdogo sana. Mwanafizikia aliyejulikana John Wheeler aliita hii “uhaba mkubwa,” kwa sababu jambo, nishati, nafasi, na wakati wote watavunjwa nje ya kuwepo. Kumbuka kuwa “uhaba mkubwa” ni kinyume cha Big Bang-ni mlipuko. Ulimwengu haupanuzi bali huanguka ndani yake.

Wanasayansi wengine walidhani kwamba mwingine Big Bang anaweza kufuata uhaba, na kusababisha awamu mpya ya upanuzi, na kisha mwingine contraction-labda oscillating kati ya mfululizo Big Bangs na crunches kubwa kwa muda usiojulikana katika siku za nyuma na baadaye. Wakati mwingine uvumi huo ulikuwa unajulikana kama nadharia ya oscillating ya ulimwengu. Changamoto kwa wanadharia ilikuwa jinsi ya kuelezea mpito kutoka kuanguka (wakati nafasi na wakati wenyewe hupotea katika shida kubwa) hadi upanuzi. Pamoja na ugunduzi wa nishati ya giza, hata hivyo, haionekani kwamba ulimwengu utapata shida kubwa, hivyo tunaweza kuweka wasiwasi juu yake kwenye burner ya nyuma.

Kama wiani wa ulimwengu ni chini ya wiani muhimu (Curve 2 katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\) na ulimwengu wa pili kutoka kushoto katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\)), mvuto ni kamwe muhimu ya kutosha kuacha upanuzi, na hivyo ulimwengu expands milele. Ulimwengu kama huo hauwezi na mfano huu unaitwa ulimwengu wazi. Muda na nafasi huanza na Big Bang, lakini hawana mwisho; ulimwengu unaendelea kupanua, daima kidogo polepole zaidi wakati unaendelea. Vikundi vya galaxi hatimaye vinapata mbali sana kwamba itakuwa vigumu kwa waangalizi katika yeyote kati yao kuona wengine. (Angalia sanduku kipengele juu ya Nini Ulimwengu Kuwa Kama katika siku za mbali? baadaye katika sehemu kwa zaidi kuhusu siku zijazo za mbali katika mifano ya ulimwengu iliyofungwa na ya wazi.)

Katika wiani muhimu (Curve 3), ulimwengu unaweza tu kupanua milele. Ulimwengu wa wiani muhimu una umri wa theluthi mbili hasa\(T_0\), ambapo\(T_0\) ni umri wa ulimwengu usio na tupu. Universes ambayo siku moja kuanza mkataba na umri chini ya theluthi mbili\(T_0\).

Katika ulimwengu tupu (line dashed Kielelezo\(\PageIndex{4}\) na ulimwengu coasting katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\)), wala mvuto wala nishati giza ni muhimu kutosha kuathiri kiwango cha upanuzi, ambayo kwa hiyo ni mara kwa mara katika wakati wote.

Katika ulimwengu wenye nishati ya giza, kiwango cha upanuzi kitaongezeka kwa wakati, na upanuzi utaendelea kwa kiwango cha kasi zaidi. Curve 4 katika Kielelezo\(\PageIndex{4}\), ambayo inawakilisha ulimwengu huu, ina sura ngumu. Mwanzoni, wakati suala hilo liko karibu sana, kiwango cha upanuzi kinaathiriwa na mvuto. Nishati ya giza inaonekana kutenda tu juu ya mizani mikubwa na hivyo inakuwa muhimu zaidi kadiri ulimwengu unakua mkubwa na jambo linaanza kupungua nje. Katika mfano huu, kwa mara ya kwanza ulimwengu hupungua, lakini kama nafasi inavyoenea, kasi ina jukumu kubwa na upanuzi unaongezeka.

Cosmic tug ya Vita

Tunaweza kufupisha majadiliano yetu hadi sasa kwa kusema kwamba “tug ya vita” inaendelea katika ulimwengu kati ya vikosi vinavyofukuza kila kitu mbali na mvuto wa mvuto wa jambo, ambayo huvuta kila kitu pamoja. Ikiwa tunaweza kuamua nani atakayeshinda vita hivi, tutajifunza hatima ya mwisho ya ulimwengu.

Jambo la kwanza tunalohitaji kujua ni wiani wa ulimwengu. Je, ni kubwa kuliko, chini ya, au sawa na wiani muhimu? Wiani muhimu leo inategemea thamani ya kiwango cha upanuzi leo,\(H_0\). Ikiwa mara kwa mara ya Hubble iko karibu kilomita 20/pili kwa miaka milioni ya mwanga, wiani muhimu ni kuhusu\(10^{–26}\) kilomita 20/m ³. Hebu tuone jinsi thamani hii inalinganishwa na wiani halisi wa ulimwengu.

Mfano\(\PageIndex{1}\): wiani muhimu wa ulimwengu

Kama sisi kujadiliwa, wiani muhimu ni kwamba mchanganyiko wa jambo na nishati ambayo huleta ulimwengu coasting kwa kuacha wakati infinity. Einstein equations kusababisha kujieleza yafuatayo kwa wiani muhimu\( \left( \rho_{\text{crit}} \right) \):

\[ \rho_{\text{crit}} = \frac{3H^2}{8 \pi G} \nonumber\]

wapi\(H\) mara kwa mara ya Hubble na\(G\) ni mara kwa mara ya mvuto\( \left( 6.67 \times 10^{–11} \text{ Nm}^2/ \text{kg}^2 \right)\).

Suluhisho

Hebu tubadilishe maadili yetu na tuone kile tunachopata. Chukua\(H = 22 \text{ km/s}\) kwa miaka milioni ya mwanga. Tunahitaji kubadilisha kilomita na miaka ya mwanga kwa mita kwa uwiano. Miaka ya mwanga milioni =\(10^6 \times 9.5 \times 10^{15} \text{ m} = 9.5 \times 10^{21} \text{ m}\). Na\(22 \text{ km/s} = 2.2 \times 10^4 \text{ m/s}\). Hiyo inafanya\(H = 2.3 \times 10^{–18} ~ /\text{s}\) na\(H^2 = 5.36 \times 10^{–36} ~ /\text{s}^2\). Hivyo,

\[\rho_{\text{crit}} = \frac{3 \times 5.36 \times 10^{–36}}{8 \times 3.14 \times 6.67 \times 10^{–11}} = 9.6 \times 10^{–27} \text{ kg/m}^3 \nonumber\]

ambayo tunaweza pande zote mbali kwa\(10^{–26} \text{ kg/m}^3\). (Ili kufanya vitengo kazi nje, unapaswa kujua kwamba\(N\), kitengo cha nguvu, ni sawa na\(\text{kg} \times \text{m/s}^2\).)

Sasa tunaweza kulinganisha msongamano tunaopima ulimwenguni kwa thamani hii muhimu. Kumbuka kuwa wiani ni wingi kwa kiasi kitengo, lakini nishati ina molekuli sawa ya\(m = E/c^2\) (kutoka equation Einstein\(E = mc^2\)).

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

1. Punje moja ya vumbi ina wingi wa karibu\(1.1 \times 10^{–13} \text{ kg}\). Ikiwa wiani wa wastani wa nishati ya nafasi ni sawa na wiani muhimu kwa wastani, ni kiasi gani cha nafasi kitatakiwa kuzalisha jumla ya nishati ya wingi sawa na nafaka ya vumbi?
2. Kama mara kwa mara Hubble walikuwa mara mbili ni nini kweli ni, kiasi gani wiani muhimu kuwa?

Jibu

1. Katika kesi hii, wastani wa nishati ya nishati katika kiasi V cha nafasi ni E = ρ crit V. Hivyo, kwa nafasi na wiani muhimu, tunahitaji kwamba\[V= \frac{E_{\text{grain}}}{\rho_{\text{crit}}} = \frac{1.1 \times 10^{–13} \text{ kg}}{9.6 \times 10^{–26} \text{ kg/m}^3} = 1.15 \times 10^{12} \text{ m}^3 = (10,500 \text{ m})^3 \cong (10.5 \text{ km})^3 \nonumber\] Hivyo, pande za mchemraba wa nafasi na wingi wa nishati wiani wastani wa wiani muhimu bila haja ya kuwa kidogo zaidi ya 10 km vyenye nishati jumla sawa na nafaka moja ya vumbi!
2. Kwa kuwa wiani muhimu huenda kama mraba wa mara kwa mara Hubble, na mara mbili parameter Hubble, wiani muhimu bila kuongezeka kwa sababu nne. Hivyo kama mara kwa mara Hubble ilikuwa 44 km/s kwa miaka milioni mwanga badala ya 22 km/s kwa miaka milioni mwanga, wiani muhimu itakuwa\[\rho_{\text{crit}} = 4 \times 9.6 \times 10^{–27} \text{ kg/m}^3 = 3.8 \times 10^{–26} \text{ kg/m}^3. \nonumber\]

Tunaweza kuanza utafiti wetu wa jinsi mnene cosmos ni kwa kupuuza nishati ya giza na tu kukadiria wiani wa mambo yote katika ulimwengu, ikiwa ni pamoja na suala la kawaida na suala giza. Hapa ndio ambapo kanuni ya cosmological inakuja kwa manufaa. Kwa kuwa ulimwengu ni sawa kabisa (angalau kwa mizani kubwa), tunahitaji tu kupima kiasi gani kilichopo katika sampuli ya mwakilishi (kubwa). Hii ni sawa na jinsi utafiti wa mwakilishi wa watu elfu chache unaweza kutuambia nani mamilioni ya wakazi wa Marekani wanapendelea rais.

Kuna mbinu kadhaa ambazo tunaweza kujaribu kuamua wiani wa wastani wa suala katika nafasi. Njia moja ni kuhesabu galaxi zote kwa umbali fulani na kutumia makadirio ya raia wao, ikiwa ni pamoja na suala la giza, kuhesabu wiani wa wastani. Makadirio hayo yanaonyesha wiani wa karibu\(1\)\(2 \times 10^{–27} \text{ kg/m}^3\) (10 hadi 20% ya muhimu), ambayo yenyewe ni ndogo sana kuacha upanuzi.

Mambo mengi ya giza iko nje ya mipaka ya galaxi, hivyo hesabu hii bado haijakamilika. Lakini hata kama tutaongeza makadirio ya jambo la giza nje ya galaxi, jumla yetu haitaongezeka zaidi ya asilimia 30 ya wiani muhimu. Tutaweza siri namba hizi chini kwa usahihi zaidi baadaye katika sura hii, ambapo sisi pia ni pamoja na madhara ya nishati ya giza.

Kwa hali yoyote, hata kama tunapuuza nishati ya giza, ushahidi ni kwamba ulimwengu utaendelea kupanua milele. Ugunduzi wa nishati ya giza ambayo husababisha kiwango cha upanuzi kuharakisha tu kuimarisha hitimisho hili. Mambo dhahiri hayaonekani vizuri kwa mashabiki wa ulimwengu uliofungwa (mfano mkubwa).

Ulimwengu unaweza kuwa kama nini katika siku zijazo za mbali?

Wengine wanasema ulimwengu utaisha kwa moto, Wengine wanasema katika barafu. Kutokana na kile nilionja tamaa mimi kushikilia na wale ambao neema moto. —Kutoka shairi “Moto na Ice” na Robert Frost (1923)

Kutokana na uwezo wa uharibifu wa kuathiri asteroids, kupanua giants nyekundu, na supernovae karibu, aina zetu haziwezi kuwa karibu katika siku zijazo za mbali. Hata hivyo, unaweza kufurahia ubashiri juu ya nini itakuwa kama kuishi katika ulimwengu mkubwa, mkubwa sana.

Kuongeza kasi ya kuzingatiwa inafanya uwezekano kwamba tutaendelea upanuzi katika siku zijazo zisizojulikana. Ikiwa ulimwengu utaongezeka milele (R huongezeka bila kikomo), makundi ya galaxi yataenea milele mbali na wakati. Kama eons kupita, ulimwengu utapata nyembamba, baridi, na nyeusi.

Ndani ya kila galaksi, nyota zitaendelea kupita katika maisha yao, hatimaye kuwa vijiti vyeupe, nyota za neutroni, na mashimo meusi. Nyota za chini zinaweza kuchukua muda mrefu kumaliza mageuzi yao, lakini katika mfano huu, tungekuwa na wakati wote duniani. Hatimaye, hata wachanga weupe watapungua baridi kuwa wachanga mweusi, nyota zozote za neutroni ambazo zinajidhihirisha kama pulsars zitaacha polepole kuzunguka, na mashimo meusi yenye diski za kuongezeka zitamaliza siku moja “chakula” chao. Mabaki ya nyota yote yatakuwa giza na vigumu kuchunguza.

Hii inamaanisha kuwa nuru ambayo sasa inafunua galaxi kwetu hatimaye itatoka. Hata kama mfukoni mdogo wa malighafi uliachwa katika kona moja isiyokuwa ya kawaida ya galaxi, tayari kubadilishwa kuwa kikundi kipya cha nyota, tutalazimika tu kusubiri mpaka wakati mageuzi yao pia yamekwisha kukamilika. Na wakati ni jambo moja mfano huu wa ulimwengu una mengi. Hakika kutakuja wakati ambapo nyota zote zipo nje, galaxi ni giza kama angani, na hakuna chanzo cha joto kinachobaki kusaidia maisha kuishi. Kisha galaxi zisizo na uhai zitaendelea kusonga mbali katika eneo lao lisilo na mwanga.

Ikiwa mtazamo huu wa siku zijazo unaonekana kukata tamaa (kwa mtazamo wa kibinadamu), kukumbuka kwamba hatuelewi kwa nini kiwango cha upanuzi kinaharakisha sasa. Hivyo, uvumi wetu kuhusu siku zijazo ni kwamba tu: uvumi. Unaweza kuchukua moyo katika maarifa kwamba sayansi daima ni ripoti ya maendeleo. Mawazo ya juu zaidi juu ya ulimwengu kutoka miaka mia moja iliyopita sasa hutupiga kama badala ya kwanza. Inawezekana kuwa mifano yetu bora ya leo itakuwa katika miaka mia moja au elfu pia inaonekana kuwa rahisi sana na kwamba kuna mambo mengine yanayoamua hatima ya mwisho ya ulimwengu ambao bado hawajui kabisa.

Zama za Galaxi za mbali

Katika sura ya Galaxy, tulijadili jinsi tunavyoweza kutumia sheria ya Hubble kupima umbali wa galaxi. Lakini njia hiyo rahisi inafanya kazi tu na galaxi ambazo si mbali sana. Mara tu tunapofika umbali mkubwa, tunaangalia hadi sasa katika siku za nyuma kwamba tunapaswa kuzingatia mabadiliko katika kiwango cha upanuzi wa ulimwengu. Kwa kuwa hatuwezi kupima mabadiliko haya moja kwa moja, ni lazima tuchukue mojawapo ya mifano ya ulimwengu ili tuweze kubadilisha mabadiliko makubwa ya redshifts kuwa umbali.

Hii ndiyo sababu wanaastronomia wanajishughulisha wakati waandishi wa habari na wanafunzi wanawauliza hasa jinsi ilivyo mbali mbali baadhi ya quasar au galaxi ilivyo mbali. Kwa kweli hatuwezi kutoa jibu bila ya kwanza kuelezea mfano wa ulimwengu tunaochukulia katika kuhesabu (kwa wakati ambapo mwandishi au mwanafunzi amelala muda mrefu au amelala). Hasa, ni lazima kutumia mfano kuwa ni pamoja na mabadiliko katika kiwango cha upanuzi na wakati. Viungo muhimu vya mfano ni kiasi cha suala, ikiwa ni pamoja na suala la giza, na molekuli sawa (kulingana na\(E = mc^2\)) ya nishati ya giza pamoja na mara kwa mara ya Hubble.

Mahali pengine katika kitabu hiki, tumekadiria wiani wa wingi wa jambo la kawaida pamoja na jambo la giza kama takribani mara 0.3 wiani muhimu, na sawa na wingi wa nishati ya giza kama takribani mara 0.7 wiani muhimu. Tutataja maadili haya kama “mfano wa kawaida wa ulimwengu.” Makadirio ya hivi karibuni (yaliyoboreshwa kidogo) kwa maadili haya na ushahidi kwao utapewa baadaye katika sura hii. Mahesabu pia yanahitaji thamani ya sasa ya mara kwa mara ya Hubble. Kwa Jedwali\(\PageIndex{1}\), tuna antog mara kwa mara Hubble ya 67.3 kilomita/pili/milioni parsecs (badala ya kuzunguka kwa 70 kilomita/pili/milioni parsecs), ambayo ni sambamba na 13.8 bilioni umri wa miaka ya ulimwengu inakadiriwa na uchunguzi karibuni.

Mara baada ya kudhani mfano, tunaweza kuitumia kuhesabu umri wa ulimwengu wakati kitu kilichotolewa nuru tunayoona. Kwa mfano, Jedwali\(\PageIndex{1}\) linaorodhesha nyakati ambazo mwanga ulitolewa na vitu katika mabadiliko ya redshifts tofauti kama sehemu ndogo za umri wa sasa wa ulimwengu. Nyakati hutolewa kwa mifano miwili tofauti sana ili uweze kupata hisia kwa ukweli kwamba umri uliohesabiwa ni sawa sawa. Mfano wa kwanza unafikiri kwamba ulimwengu una wiani mkubwa wa suala na hakuna nishati ya giza. Mfano wa pili ni mfano wa kawaida ulioelezwa katika aya iliyotangulia. Safu ya kwanza katika meza ni redshift, ambayo hutolewa na equation z = Δλ/λ0 na ni kipimo cha kiasi gani wavelength ya mwanga imetambulishwa na upanuzi wa ulimwengu katika safari yake ndefu kwetu.

\(\PageIndex{1}\): Zama za Ulimwengu katika mabadiliko tofauti

Redshift	Asilimia ya Umri wa Sasa wa Ulimwengu Wakati Mwanga ulipotolewa (molekuli = wiani muhimu)	Asilimia ya Umri wa Sasa wa Ulimwengu Wakati Mwanga ulipotolewa (wingi = 0.3 wiani muhimu; nishati ya giza = 0.7 wiani muhimu)
0	100 (sasa)	100 (sasa)
0.5	54	63
1.0	35	43
2.0	19	24
3.0	13	16
4.0	9	11
5.0	7	9
8.0	4	5
11.9	2.1	2.7
Endless	0	0

Kumbuka kwamba tunapopata vitu vilivyo na mabadiliko ya juu na ya juu, tunaangalia nyuma kwenye sehemu ndogo na ndogo za umri wa ulimwengu. Mabadiliko ya redshifts ya juu zaidi kama kitabu hiki kinaandikwa ni karibu na 12 (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Kama Jedwali\(\PageIndex{1}\) linavyoonyesha, tunaona galaxi hizi kama zilivyokuwa wakati ulimwengu ulikuwa na umri wa asilimia 3 tu kama ilivyo sasa. Walikuwa tayari sumu tu kuhusu miaka milioni 700 baada ya Big Bang.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\) Hubble Ultra-Deep uwanja Picha hii, iitwayo Hubble Ultra Deep Field, inaonyesha galaxi zenye kukata tamaa, zinaonekana mbali sana na hivyo mbali sana nyuma kwa wakati. Mraba ya rangi katika picha kuu inaelezea maeneo ya galaxi. Maoni yaliyoenea ya kila galaxi yanaonyeshwa katika picha nyeusi-na-nyeupe. Mistari nyekundu inaashiria eneo la kila galaxi. “Redshift” ya kila galaxy imeonyeshwa chini ya kila sanduku, iliyoashiria alama “z.” Uhamisho wa redshift hupima kiasi gani mwanga wa ultraviolet wa galaxy na inayoonekana umetambulishwa kwa wavelengths ya infrared na upanuzi wa ulimwengu Ubadilishaji mkubwa wa redshift, galaxi iliyo mbali zaidi, na kwa hiyo wanaastronomia zaidi wanaona nyuma kwa wakati. Moja ya galaxi saba inaweza kuwa mhalifu wa umbali, aliona katika redshift ya 11.9. Ikiwa mabadiliko haya yanathibitishwa na vipimo vya ziada, galaxy inaonekana kama ilionekana miaka milioni 380 tu baada ya Big Bang, wakati ulimwengu ulikuwa chini ya 3% ya umri wake wa sasa.

Muhtasari

Kwa kuelezea mali kubwa ya ulimwengu, mfano ambao ni isotropic na homogeneous (sawa kila mahali) ni makadirio mazuri ya ukweli. Ulimwengu unapanua, ambayo inamaanisha kwamba ulimwengu unabadilika kwa kiwango na wakati; nafasi inaenea na umbali hukua kubwa kwa sababu sawa kila mahali kwa wakati fulani. Uchunguzi unaonyesha kwamba wiani wa wingi wa ulimwengu ni chini ya wiani muhimu. Kwa maneno mengine, hakuna jambo la kutosha katika ulimwengu kuacha upanuzi. Pamoja na ugunduzi wa nishati ya giza, ambayo inaharakisha kiwango cha upanuzi, ushahidi wa uchunguzi una nguvu kwamba ulimwengu utapanua milele. Uchunguzi unatuambia kwamba upanuzi ulianza takriban miaka bilioni 13.8 iliyopita.

maelezo ya chini

¹ Kwa molekuli sawa tunamaanisha kwamba ambayo ingeweza kusababisha kama nishati walikuwa akageuka kuwa wingi kwa kutumia formula Einstein ya,\(E = mc^2\).

faharasa

ulimwengu uliofungwa

mfano ambao ulimwengu huongezeka kutoka Big Bang, huacha, na kisha mikataba kwa shida kubwa

wiani muhimu

katika cosmology, wiani kwamba ni wa kutosha kuleta upanuzi wa ulimwengu kwa kuacha baada ya muda usio

ulimwengu wazi

mfano ambao wiani wa ulimwengu sio juu ya kutosha kuleta upanuzi wa ulimwengu kuacha