Спросите Итана №12: расстояния во Вселенной

http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/11/22/ask-ethan-12-how-far-is-the-distant-universe/
  • Перевод
image
Этот кусочек неба – созвездие Кита. Здесь мы наблюдаем набор галактик, который использовался при наблюдениях за пищевыми пристрастиями молодых галактик, в то время как они растут. Каждая из небольших точек – это галактика, какой она была от трёх до пяти миллиардов лет после Большого взрыва. Их изучали при помощи инструментов VLT и SINFONI. Цветовые карты показывают движение газа в галактиках. Синий – газ движется к нам относительно галактики как целого, красный – газ удаляется. эти цвета позволяют астрономам разобраться в том, вращаются ли галактики как диски, или же двигаются иным способом.
Свет считает, что он движется быстрее всего остального, но он ошибается. Как бы быстро ни двигался свет, он всегда обнаруживает, что тьма появилась там раньше, и ждёт его.
— Терри Пратчет

Читатель спрашивает:
Когда про объект говорят, что он находится на расстоянии 13,8 миллиардов световых лет, имеется ли в виду текущее расстояние до объекта, то, как далеко он находился, когда свет от объекта отправился в нашу сторону, или же расстояние, пройденное светом?
Ведь из-за расширения вселенной эти три варианта должны сильно различаться.

Хотел бы я, чтобы все придерживались одного определения. К сожалению, эти три расстояния действительно отличаются, и не все используют одно и то же расстояние, описывая дистанцию до объекта. Возьмём простую аналогию.

image

Представьте два лестничных пролёта рядом. На одном стоите вы, на другом – ваш друг. Он стоит ниже, и у него в руках мяч. Ваш друг кидает вам мяч с определённой скоростью, на путешествие к вам у мяча уходит определённое время, и если вам известны две эти величины, вы можете посчитать расстояние до друга. Допустим, мяч летел со скоростью 10 метров в секунду, летел 1 секунду, и вы находитесь в 10 метрах от вашего друга. (Допустим, для простоты, что на мяч не действует сила тяжести). [прим. перев.: и сопротивление воздуха; а лучше представим, что вы стоите на траволаторах, и тогда сила тяжести не будет вам мешать].

image

Теперь усложним задачу и поместим вас с другом на эскалаторы, двигающиеся в противоположных направлениях – вы едете вверх, а друг – вниз. Допустим, скорость каждого составит 2,5 м/с.

И всё становится не так просто.

image

Если ваш друг швырнёт мяч со скоростью 10 м/с, и вы стартуете с расстояния в 10 метров, то на путь у мяча уйдёт не 1 секунда, а по его прибытию вы будете не в 10 метрах друг от друга. У мяча это займёт 1,3 с, а вы к тому времени будете на расстоянии в 17 метров.

Если же вы будете на расстоянии 10 метров друг от друга в тот момент, когда к вам прилетел мяч, это значит, что вы начинали с расстояния в 6 метров, а на путь у мяча ушло 0,8 с.

А если же на путь у мяча ушла ровно 1 секунда, это значит, что при броске вы находились на расстоянии в 8 метров, а теперь находитесь на расстоянии в 13 метров.

Для простоты я округлил все значения.

image

Смысл в том, что если вы находитесь на каком-то расстоянии и двигаетесь друг относительно друга, то расстояния определять становится не так легко – у них появляются три разных значения:

  1. Расстояние, на котором два объекта находились, когда излучающий объект отправил сигнал, который получил наблюдатель
  2. Расстояние, на котором два объекта находятся, когда наблюдатель получил сигнал, испущенный отправителем.
  3. Расстояние, которое пришлось преодолеть сигналу от отправителя до получателя.


Для неподвижных объектов все три значения равны, а для движущихся – различны. А Вселенная как раз движется.

image

Объекты, связанные гравитацией, как планеты в солнечной системе, звёзды в галактике, и галактики в кластере, могут рассматриваться как неподвижные друг относительно друга, большинство галактик удаляются друг от друга. Когда мы заглядываем в дальние края Вселенной, мы заглядываем в прошлое, и видим свет из того времени, когда объекты были ближе друг к другу, когда Вселенная расширялась быстрее, из древних времён. А в отличие от примера с эскалаторами, скорость расширения Вселенной ещё и меняется во времени.

image

Сегодня нашей Вселенной 13,8 миллиардов плюс/минус несколько десятков миллионов лет. Что это значит для удалённых объектов?

image

Рассмотрим текущего рекордсмена, самую удалённую из известных галактик, UDFj-39546284. Когда мы говорим, что она находится на расстоянии 13,42 миллиарда световых лет, что мы имеем в виду?

Расстояние, которое преодолел идущий от неё свет. Для меня, по крайней мере, это разумный способ обозначения расстояния. В расширяющейся Вселенной раньше расстояния между объектами были меньше. Пока свет движется от излучающего объекта к нашим глазам, Вселенная продолжает расширяться.



Что это означает для нашего рекордсмена?

  1. Эта галактика была на расстоянии 1,1 миллиарда световых лет от нас, когда испустила свет, доходящий до нас сегодня.
  2. Свет, который доходит до нас сегодня, был испущен, когда Вселенной было всего 380 миллионов лет, то есть 2,7% от текущего возраста.
  3. Свет шёл 13,4 миллиарда лет, и по определению, прошёл 13,4 миллиарда световых лет.
  4. А теперь эта галактика находится на расстоянии 33 миллиарда световых лет от нас.


И, хотя никогда не знаешь, о каких расстояниях пишет журналист или писатель, я перечислил все возможные варианты.

image

Обычно используется два последних варианта – либо расстояние, пройденное светом, либо текущее расстояние. Можно считать, что если расстояние в световых годах меньше, чем возраст вселенной, то они говорят о времени, которое путешествовал свет, а если больше – то о текущем фактическом расстоянии.

image

Для объектов поближе, и для объектов, связанных гравитацией, разница между этими вариантами получается сильно меньше, но мне бы всё равно хотелось, чтобы люди аккуратнее обращались со словами. Если бы каждый обозначал, какое расстояние он имеет в виду – то, которое было при испускании света, путь света, или текущее расстояние до объекта, то путаницы было бы гораздо меньше.

image

Вот так в расширяющейся Вселенной работают расстояния.
Поделиться публикацией
Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

Зачем оно вам?
Реклама
Комментарии 14
  • +2
    Поэтому я в астрономии мерилом расстояний до удаленных галактик является красное смещение (z) — единственный наблюдаемый параметр. Все прочие так называемые расстояния — модельно зависимы. И строго говоря зависят от того, как способом мы меряем: по ослаблению света — фотометрическое расстояние или по угловому размеру объекта (угловое расстояние).
    • 0
      >Эта галактика была на расстоянии 1,1 миллиарда световых лет от нас, когда испустила свет, доходящий до нас сегодня.
      >Свет, который доходит до нас сегодня, был испущен, когда Вселенной было всего 380 миллионов лет, то есть 2,7% от текущего возраста.
      >Свет шёл 13,4 миллиарда лет, и по определению, прошёл 13,4 миллиарда световых лет.
      >А теперь эта галактика находится на расстоянии 33 миллиарда световых лет от нас.


      То есть, по идее автора, мы и эта галактика удалялись друг от друга со скоростью, значительно выше скорости света?
      • +8
        Да, потому что Вселенная расширяется быстрее скорости света.
        • +4
          Нужно заметить (чтобы не вводить в тупик), что расширяется именно пространство, а оно, в свою очередь, может двигаться с какой ему угодно скоростью. А сами галактики двигаются друг относительно друга со скоростью, заметно меньшей скорости света. Вот такой взрыв мозга.
          • 0
            ээээ. запутывающее утверждение Из закона Хаббла v = H_0*r т.е.скорость расширения Вселенной это функция от расстояния до объекта. Иными словами мы первалим световую скорость только при определенном расстоянии. При H_0 =75 км\с\МПК это расстояние ~ 4 000 МПк ~ 13.8 млрд световых лет.

            • 0
              Интересное совпадение с оценкой возраста Вселенной.
              Совпадение?
              • 0
                Есть мнение что нет, но пока оно маргинально.
            • 0
              А меня вот интересует вопрос, откуда он взял значение 1,1 миллиарда световых лет? Если я правильно понял из примеров с лестницами и эскалаторами, то для того, чтобы узнать на каком расстоянии была галактика в момент испускания света, нам надо знать с какой конкретно скоростью мы разлетались друг от друга. Разве ученым это известно?

              Насколько я читал и слышал, все только говорят, что вселенная расширяется, и всё быстрее и быстрее, но конкретных скоростей никто не приводил. Как тогда можно вычислить изначальное расстояние до галактики?
          • 0
            А можно вопрос из области скорости света и наблюдения?
            Мы на земле смотрим в телескоп на некоторый объект который, например, в нескольких млрд. световых лет. Предположим, что этот объект расширяется в плоскости во всех направлениях с одинаковой коростью (ну такой расширяющийся диск), значит ли это, что край объекта который расширяется в нашу сторонубудет в нашей системе отсчета времени показавыть более позднюю версию событий, нежели край который перпендикулярен векторы наблюдения?
            Ну т.е. вектор А направлен в сторону наблюдателя, вектор В направлен перпендикулярно вектору А, А и В исходят из одной точки. Значит ли это что для наблюдателя скорость расширения объекта по вектору А будет больше скорости расширения объекта по вектору В и фигура станет для наблюдателя элипсом вместо круга, а в точке исхода векторов наблюдатель бы увидел круг?
            • 0
              Я не уверен, но кажется, что вы имеете в виду релятивистский поперечный эффект Допплера.
            • –1
              Главное сомнение 2015 откуда взялись слишком молодые галактики (370млн лет от БВ не предел)
              Тут теорий множество: либо мы ничего не знаем в физике, либо условия после БВ — были иными, либо это остатки «предыдущей вселенной»
              Исходя из срока формирования звезд из пылевых облаков, сроков жизни звезд и формирования из их остатков новых, за 13 млрд. лет произошла смена всего лишь 4 поколений звезд. Галактики же формирующиеся из звезд большие долгожители и на их формирование должно уходить куда больше времени.
              Ответ может только один — БВ не было, а наблюдаемое красное смещение — это не следствие ускорение расширения вселенной со сверхсветовыми скоростями, а просто «оптический обман зрения» вследствии кривизны вселенной, которая есть константа (правда небольшая, так как эффект от этой кривизны действует лишь при очень больших расстояних) Звезды, и массивные объекты типа ЧД не могут обеспечить подобный эффект, так как гравитационные искажения метрики пространства-времени не простираются на подобные расстояния, чтобы мы могли заметить эффект и к тому же убывают до малых величин и не являются контстанстами на всем протяжении от них, до наблюдателя — то есть до нас — в отличии от кривизны самой вселенной.
              • +1
                откуда вы взяли число в 370 млн.лет?
                • 0
                  ошибся на 10 млн. сорри. не 370, а 380…
                  из статьи:
                  Что это означает для нашего рекордсмена?

                  Эта галактика была на расстоянии 1,1 миллиарда световых лет от нас, когда испустила свет, доходящий до нас сегодня.
                  Свет, который доходит до нас сегодня, был испущен, когда Вселенной было всего 380 миллионов лет, то есть 2,7% от текущего возраста.

                  ранее я читал рекордсмен был 420 млн. возраст со дня БВ, до этого 700 млн.
                  теперь вот 380 млн.
              • 0
                Всё отлично и кратко написано в последнем предложении.

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое