Expansiunea Universului

[Adi]

Problema rezolvata in mecanica newtoniana, acum 300 de ani. Teoria gravitatiei a lui Newton explica frumos miscarea planetelor in sistemul nostru solar, a sistemului solar in galaxie si asa mai departe. Constat ca dvs doar puneti intrebari si aduceti prea putin la discutie. Nici macar nu ascultati activ ce explic eu, adica nu comentati ce explic, ci doar ziceti: "nu e adevarat" si puneti noi intrebari. Strategia aceasta nu va va duce la intelegerea fenomenelor. Trebuie sa le analizati. Noi va revelam aici despre metoda stiintifica si despre ce zice stiinta, caci poate nu ati avut sansa pana acum sa va permiteti sa luati o carte precum O scurta istorie a timpului de Stephen Hawking. Nu are nimic, romanul e sarac. Va putem ajuta. Dar trebuie sa faceti si dvs un pas. Trebuie sa studiati, nu doar sa puneti intrebari. Trebuie si sa urmariti raspunsurile.

[ionut]

   Ignorantul,

     Faptul ca anumite galaxii au redshift invers (adica au viteza relativa negativa fata de noi) nu inseamna foarte mult. La fel cum ai spus si tu, exista o dinamica a galaxiilor si roiurilor de galaxii care la nivel local este mai puternica decat expansiunea Universului. Masuratorile pentru expansiunea Universului s-au facut cu ajutorul "candelelor" astrofizice foarte indepartate iar acest redshift s-a dovedit a fi proportional cu distanta pana la aceste obiecte foarte indepartate (foarte indepartat inseamna miliarde de ani lumina). Deci este perfect normal ca unele galaxii relativ vecine de a noastra sa se apropie.

[ionut]

Citat:
"Ce a provocat criza?
In primul rand, argumentul deplasarii spre rosu presupune ca Universul este in mare masura gol, ca intre galaxii nu exista practic nimic. Aceasta presupunere s-a dovedit insa a fi falsa. Atunci cind Grote Reber, inventatorul radio-telescopului, a decis sa vada cum arata cerul noptii printr-un radio-telescop in domeniul lungimilor de unda de ordinul hectometrilor, a fost surprins sa descopere ca aceasta lumina cu energie foarte scazuta nu pare sa fie emisa de stele, ci de spatiul "gol" dintre galaxii. Asadar "vidul" nu e chiar atat de vid. Folosind teoria plasmei, Reber a reusit sa calculeze, plecand de la intensitatea observata a luminii in domeniul hectometrilor, si cata materie este in spatiul intergalactic. Rezultatul? Se pare ca acolo se gaseste 99% din toata materia din Univers, in starea ei cea mai primitiva, de protoni si electroni!

Este adevarat ca vidul cosmic este plin de foarte mult praf de stele si diverse alte particule (atentie protoni si electroni nu inseamna starea cea mai primitiva pentru ca protonul este o particula compusa si foarte complexa dealtfel), dar densitatea lor este de ordinul a 1 particula / cm^3. Nu stiu cat reprezinta asta in procente din toata masa Universului dar stiu ca materia cunoscuta din Univers reprezinta cam 4-5% din toata energia Universului. Restul, daca ai citit, ai vazut ca e atribuita unor lucruri numite materie intunecata si energie intunecata. Am tot respectul pentru Grote Reber si inventia lui, dar de atunci si pana acum a trecut ceva timp in care atat tehnica cat si stiinta s-au mai perfectionat. Nu poti sa iei ca litera de lege o concluzie stiintifica de acum 50 de ani ci tre sa mai citesti ziarul cu stirile mai noi, nu crezi?

Acest lucru are consecinte serioase, una dintre ele fiind ca lumina venind de la galaxii nu trece prin spatiul gol, ci trece printr-o plasma de protoni si electroni. Unul dintre lucrurile care se intampla atunci cand lumina se ciocneste de electroni este efectul Compton. Efectul Compton este o ciocnire inelastica: lumina se ciocneste de un electron si pierde o parte din energia sa. Cu alte cuvinte, exista o deplasare spre rosu datorata efectului Compton. In plus, a fost calculat ca acest efect conduce la exact acelasi rezultat ca si o deplasare spre rosu care ar fi datorata expansiunii Universului.
In al doilea rind, o parte din lumina se ciocneste de electroni din nou si din nou si din nou, pierzandu-si in acest fel aproape toata energia. Aceasta ar putea fi o explicatie alternativa a radiatiei de fond. Atata doar ca aceasta explicatie nu este compatibila cu ideea de izotropie.

Aici nu cred ca ai dreptate. Radiatia cosmica de fond este si termalizata printre altele. Asta cum o explici? Deasemenea, daca sustii ca aceasta plasma cosmica umple asa de bine spatiul intergalactic cum iti explici razele cosmice de energii ultra-relativiste care ciocnesc Pamantul? De ce mai ajung ele pe Pamant? De ce nuclee de fier la energii de mii de TeV ajung sa interactioneze cu atmosfera terestra? In ipoteza ta aceste nuclee ar trebui sa fie distruse la prima interactie cu un proton din vidul cosmic.

In aceasta privinta, noi dovezi au aparut multumita satelitului WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) lansat de NASA tocmai pentru a "cartografia" cu mai mare precizie radiatia de fond. Atunci cand cosmologii au inceput sa descifreze datele primite de la satelit, ei au remarcat anumite detalii "bizare", cum ar fi faptul ca, pana una alta, radiatia de fond nu este chiar izotropa, ci pare sa vina din directia constelatiei Fecioarei!

Harta WMAP indica anizotropie numai la o rezolutie mai buna de 10^-5. Acea celebra harta reflecta, dupa presupunerile astrofizicienilor, un soi de harta (de fapt un negativ al hartii) a distributiei de densitate a materiei in universul primordial. De ce ai folosit cuvantul "bizar"? Ce este bizar la aceasta harta? Tu la ce te asteptai si de ce?

Acestea sunt probabil cele mai importante ingrediente ale crizei actuale din cosmologie.
Cu toate ca nu se poate inca spune ca teoria Big-Bangului este categoric gresita, acum exista dubii serioase in privinta ei. Acum pare din nou posibil sa ne imaginam ca Universul este atemporal, fara margini si stabil, asa cum Grote Reber sustinea acum 30 de ani:
"Nu exista nici inceput nici sfirsit. Universul material se intinde dincolo de cele mai mari distante pe care le putem observa prin metode optice sau cu ajutorul radiotelescoapelor. Este fara margini. Energia este reciclata prin procese electrodinamice (si nu termodinamice). Materialul de la galaxiile care mor este reciclat in noi galaxii. Detaliile organizarii materiei si energiei se schimba numai la o scara mica. La o scara mare de timp si luind in considerare distante foarte mari, caracteristicile Universului raman grosso modo, neschimbate." "

Nu stiu ce ai inteles tu din toata chestia asta cu WMAP, dar aceasta mica anizotropie este interpretata ca fiind pur si simplu amprenta Big-Bang-ului.

[Adi]

Foarte frumos, ai raspuns, Ionut. Ma bucura raspunsul tau, caci din ce am explicat eu nu a inteles nimc, poate tu ai mai mult succes.

[Skolon]

Cu toate că citesc de mai mult timp cam tot ce găsesc pe tema asta, am încă multe nelămuriri, poate reuşiti mă mai luminaţi voi.

În teoria Big Bangului se vorbeşte de două tipuri de "umflare" a Universului: expansiunea (care are loc acum) şi inflaţia (care a avut loc imediat după BB, a durat extrem de puţin şi a încetat).
În afară de magnitudinea efectelor celor două fenomene (inflaţia a fost cu multe ordine de mărime mai "puternică") care sunt deosebirile între ele? Din explicaţiile citite am reuşit doar să înţeleg că şi d.p.d.v. "calitativ", nu doar cantitativ, ele sunt foarte diferite cu toate că au un efect asemănător: distanţele spaţiale "clasice" (3D) ale Universului cresc.
Nu înţeleg dacă inflaţia a avut loc şi la nivelul particolelor subatomice sau dacă a fost doar un efect macroscopic. Şi de ce a încetat? Dar expansiunea când a început? Nu există şi un efect inerţial al BB, adică cam aşa cum se întâmplă într-o explozie? Spre deosebire de expansiune acest "efect inerţial" ne-ar putea da indicaţii despre locul în care a avut loc "explozia", deci despre centrul Universului (trebuie să aibă un centru de vreme ce Universul e plan, adică pică analogia cu balonul care se umflă).


Am citit într-un post anterior o întrebare referitoare la efectele expansiunii la scara noastră.
Am calculat care este viteza cu care Pământul se îndepărtează de Soare datorită expansiunii (apropo, în formula lui Hubble nu se face nici o referire la atracţia gravitaţională aşa că nu văd de ce o luaţi în calculul efectului expansiunii) conform formulei lui Hubble.
Pentru H₀=70,8 Km/sMpc, 1Mpc=30.800.000.000.000.000.000 Km si d_{Pământ_Soare}=149.597.887,5 Km, am obţinut o viteză de 3,4881E^-10Km/s, adică de aproximativ 11 m/an. Eu zic că e prea mică pentru a putea fi măsurată.

[cris]

In prima faza a BB-ului trebuie sa se fi plecat de la viteza luminii.Dupa formarea particulelor viteza a inceput sa scada treptat.Expansiunea prezenta se refera la univers.Ea nu se manifesta in interiorul galaxiei.Chiar in cazul grupurilor de galaxii situatia e alta.Viitorul galaxiilor este colapsarea spre gaura neagra supermasiva care exista in centru.

[Electron]

Nu există şi un efect inerţial al BB, adică cam aşa cum se întâmplă într-o explozie? Spre deosebire de expansiune acest "efect inerţial" ne-ar putea da indicaţii despre locul în care a avut loc "explozia", deci despre centrul Universului

Big-Bang-ul este in mod esential diferit de o "explozie", tocmai prin faptul ca o explozie e caracterizata de un centru (pentru ca "bucatile" ei se imprastie intr-un spatiu pre-existent), in timp ce dilatarea spatiu-timpului nu are un centru, deoarece prin expansiune spatiu-timpul insusi (volumul disponibil, totalitatea spatiu-timpului existent) creste, exact cum suprafata unui balon care se umfla creste, desi nu are un centru pe acea suprafata. Ceea ce e greu de acceptat la nivel geometric pentru cei care nu pot depasi intuitia euclidiana este existenta mai multor dimensiuni spatiale decat cele 3 pe care le percepem direct.

(trebuie să aibă un centru de vreme ce Universul e plan, adică pică analogia cu balonul care se umflă).

Universul nu e plan, daca ar fi asa, ar avea o curbura exact zero. Din moment ce curbura nu e exact zero (oricat de mica ar fi ea), inseamna ca Universul e curb, si nu are nici un centru preferential. Deci analogia (2D) cu balonul care se umfla nu cade deloc.

e-

[Electron]

In prima faza a BB-ului trebuie sa se fi plecat de la viteza luminii. Dupa formarea particulelor viteza a inceput sa scada treptat.

Asta e o premisa folosita in stiintele naturale, cum ca viteza luminii nu a variat de-a lungul existentei Universului. Dar de la premisele noastre umane pana la "Universul trebuie sa se comporte cum zicem noi" e cale luuuuuunga. Precizez doar pentru ca unii uita ca nu Universul functioneaza dupa teoriile noastre, ci noi incercam sa gasim teoriile care se potrivesc cu functionarea (observabila) a Universului.

Expansiunea prezenta se refera la univers.Ea nu se manifesta in interiorul galaxiei.Chiar in cazul grupurilor de galaxii situatia e alta.

Situatia e alta tocmai din cauza campului gravitational care este mult mai puternic in interiorul unei galaxii, comparat cu spatiul intra-galactic.

Viitorul galaxiilor este colapsarea spre gaura neagra supermasiva care exista in centru.

Asta este o supozitie de-a ta personala si nu prea este logica, din vreme ce Universul nu are centru.

e-

PS: observ din nou cum in doar 3 fraze, unii trec de la lucruri acceptate in stiinta oficiala la teoriile lor personale, dand impresia ca exista o conexiune logica intre ele, lucru care de cele mai multe ori nu este adevarat. Atentie deci ce cititi, lumea nu stie sa precizeze cand face saltul colosal de la faptele stabilite stiintific si fabulatiile lor personale.

[cris]

Asta este o supozitie de-a ta personala si nu prea este logica, din vreme ce Universul nu are centru.

Vorbeam de galaxie ca entitate.In centrul fiecareia se afla cel putin o gaura neagra supermasiva.

[Electron]

Vorbeam de galaxie ca entitate.In centrul fiecareia se afla cel putin o gaura neagra supermasiva.

Pai atunci nu include fraza asta in acelasi paragraf pe care l-ai inceput cu observatii despre Big-Bang.

Chiar atata lene sa nu poti separa ideile si sa explici contextul in care vorbesti? 

e-

[Skolon]

(trebuie să aibă un centru de vreme ce Universul e plan, adică pică analogia cu balonul care se umflă).

Universul nu e plan, daca ar fi asa, ar avea o curbura exact zero. Din moment ce curbura nu e exact zero (oricat de mica ar fi ea), inseamna ca Universul e curb, si nu are nici un centru preferential. Deci analogia (2D) cu balonul care se umfla nu cade deloc.

Scuză-mă Electron, însă asta nu e o părere personală. Vezi puţin concluziile de la pagina asta (eu spun că e o sursă de încredere, nu?). Se pare că Universul este cu adevărat plan la scară "globală", curbarea prezisă de TRG manifestându-se doar în apropierea copurilor masive. De altfel, concluzia asta concordă şi cu teoria inflaţiei care e dezvoltată pentru un Univers plan, din câte ştiu.

De aceea, pot accepta ideea expansiunii (şi a inflaţiei) fără existenţa unui centru al extinderii dar nu şi pe cea a lipsei marginilor. Într-un Univers plan, trebuie să existe margini dacă totul a fost cândva extrem de mic. Poate exista un Univers plan fără margini doar dacă el nu a fost niciodată alfel, cu toate că nici ideea asta nu e prea uşor de "digerat" şi în plus e contrară teoriei BB.

Sau poate că există vreo altă posibilitate la care nu s-a gândit încă nimeni ca Universul să fie plan dar să nu aibă margini.

[Electron]

Scuză-mă Electron, însă asta nu e o părere personală.

Nu e nevoie sa-ti ceri scuze. Fiecare are dreptul sa-si exprime opiniile si/sau interpretarile.

Vezi puţin concluziile de la pagina asta (eu spun că e o sursă de încredere, nu?).

Am vazut. Sursa e de incredere in masura in care nu se auto-contrazice. Faptul ca cel care a scris acel articol s-a exprimat atat de imprecis, duce usor la concluzii care nu sunt corecte. Daca ai remarcat cele 3 cazuri in relatia dintre densitatea Universului si densitatea critica, ai vazut si cazul unic in care Universul ar fi plat.

Masuratorile WMAP au aratat ca nu se indeplineste acel caz, asa ca rezulta ca Universul nu e plat. Mai mult, din masuratorile respective rezulta ca Universul e curbat negativ, ceea ce e compatibil cu observatiile recente cum ca expansiunea este accelerata la ora actuala.

Se pare că Universul este cu adevărat plan la scară "globală",

Asta ai dedus tu gresit din articol. Nu e de mirare de vreme ce autorul se contrazice pe el insusi la final. Totusi, o analiza rationala permite intelegerea consecintelor masuratorilor WMAP.

De altfel, concluzia asta concordă şi cu teoria inflaţiei care e dezvoltată pentru un Univers plan, din câte ştiu.

Da, alta afirmatie din articol. Totusi, in loc sa ne cramponam pe niste teorii mai mult sau mai putin complete, mai bine plecam de la observatiile din realitate. Adica, repet: Universul nu se joaca dupa cum vor teoriile oamenilor, ci teoriile oamenilor incearca sa descrie jocul observat al Universului.

De aceea, pot accepta ideea expansiunii (şi a inflaţiei) fără existenţa unui centru al extinderii dar nu şi pe cea a lipsei marginilor. Într-un Univers plan, trebuie să existe margini dacă totul a fost cândva extrem de mic.

Da, dar masuratorile WMAP arata ca nu e plan.

Sau poate că există vreo altă posibilitate la care nu s-a gândit încă nimeni ca Universul să fie plan dar să nu aibă margini.

Eu ma indoiesc foarte tare ca "nimeni nu s-a gandit inca" la alte optiuni. Intre noi fie vorba, propriile limitari nu implica aceleasi limitari la tot restul lumii.

e-

[Skolon]

Am vazut. Sursa e de incredere in masura in care nu se auto-contrazice. Faptul ca cel care a scris acel articol s-a exprimat atat de imprecis, duce usor la concluzii care nu sunt corecte. Daca ai remarcat cele 3 cazuri in relatia dintre densitatea Universului si densitatea critica, ai vazut si cazul unic in care Universul ar fi plat.

Masuratorile WMAP au aratat ca nu se indeplineste acel caz, asa ca rezulta ca Universul nu e plat. Mai mult, din masuratorile respective rezulta ca Universul e curbat negativ, ceea ce e compatibil cu observatiile recente cum ca expansiunea este accelerata la ora actuala.

Am recitit articolul acela (mă gândeam că nu am fost atent prima dată) însă nu reuşesc să identifici contradicţia de care spui.
Universul e plat dacă densitatea sa este egală cu densitatea critică Ω, iar acest fapt e confirmat de WMAP ("That is the result confirmed by the WMAP science.") se spune acolo.

Iar mai jos se spune că WMAP a măsurat faptul că cea mai strălucitoare fluctuaţie a radiaţiei cosmice de fond este de 1 grad (ca să fiu sincer nu am înţeles ce este acel 1 grad, cu toate că am încercat să mă lămuresc cu acest articol), ceea ce confirmă şi el că Universul e plat. De fapt, se acceptă acest lucru ca fiind adevărat cu o probabilitate de 98% ("We now know that the universe is flat with only a 2% margin of error.") ceea ce e suficient, cel puţin pentru mine.

Nu ştiu dacă există o legătură între densitatea critică Ω şi fluctuaţia maximă a radiaţiei cosmice de fond (de 1 grad), nu sunt un specialist în domeniu, însă din ceea ce înţeleg din articol, ea nu există. Adică sunt două confirmări diferite ale planeităţii Universului obţinute cu acelaşi instrument (WMAP).

Chiar dacă Universul e plat, asta nu înseamnă că expansiunea nu există. Spuneam doar că dacă asta e realitatea, îmi e mai greu să înţeleg izotropia aproape perfectă a Universului. Totul din jurul nostru (chiar şi expansiunea) arată de parcă ne-am afla chiar în centrul lui. Centru care trebuie să existe (la fel ca marginile) dacă Universul e plat.

[Electron]

Am recitit articolul acela (mă gândeam că nu am fost atent prima dată) însă nu reuşesc să identifici contradicţia de care spui.

Iata:

If the density of the universe is less than the "critical density" which is proportional to the square of the Hubble constant, then the universe will expand forever. If the density of the universe is greater than the "critical density", then gravity will eventually win and the universe will collapse back on itself, the so called "Big Crunch". However, the results of the WMAP mission and observations of distant supernova have suggested that the expansion of the universe is actually accelerating which implies the existence of a form of matter with a strong negative pressure, such as the cosmological constant. This strange form of matter is also sometimes referred to as the "dark energy".

vs.

The simplest version of the inflationary theory, an extension of the Big Bang theory, predicts that the density of the universe is very close to the critical density, and that the geometry of the universe is flat, like a sheet of paper. That is the result confirmed by the WMAP science.

Universul e plat dacă densitatea sa este egală cu densitatea critică Ω, iar acest fapt e confirmat de WMAP ("That is the result confirmed by the WMAP science.") se spune acolo.

Ceea ce a confirmat WMAP este ca densistatea e foarte aproape de cea critica, dar nu a afirmat nicaieri ca ar fi exact egala cu aceasta. In plus, pentru un univers plat, accelerarea expansiunii ar trebui sa fie negativa (adica expansiunea ar trebui sa fie incetinita), insa WMAP a confirmat ca accelerarea este pozitiva.

Totul din jurul nostru (chiar şi expansiunea) arată de parcă ne-am afla chiar în centrul lui.

Tocmai aici analogia cu sfera ar trebui sa ajute intelegerea situatiei, oricat ar fi ea de contra-intuitiva pentru noi.

Centru care trebuie să existe (la fel ca marginile) dacă Universul e plat.

Universul e aproape plat (confirmat de observatii), dar nu e plat. Cel putin asta inteleg eu din articolele prezentate pe aici. Desigur, fiecare intelege in felul sau ceea ce citeste.

e-

[Skolon]

Cred că înţeleg ce vrei să spui: se spune pe de o parte că o valoare a lui Ω<1 duce la un Univers mereu expansionist (şi că observaţiile arată că Universul nostru e în expansiune accelerată) iar pe de altă parte că Universul e plat pentru că se pare că Ω e de fapt foarte apropiat de 1.
Nu e nici o contradicţie în asta. Universul e plat şi în expansiune accelerată. Cu precizarea că vorbesc de Universul observabil. Poate că acest Univers observabil e doar o mică părticică dintr-un Univers mai mare care nu este plat. Însă teoria inflaţiei spune că dacă Universul observabil n-ar fi plat am putea măsura asta, caz în care însăşi teoria inflaţiei nu ar mai fi valabilă. Ceea ce ar crea (iar) mari probleme teoriei Big Bangului.

Toată discuţia de la acea pagină se poate înţelege şi ca o analiză a viitorului expansiunii actuale prin privinţa curburii Universului. Dacă acesta ar fi fost deschis (ca o şa de bicicletă, având Ω<1) atunci expansiunea ar fi avut loc pentru totdeauna iar dacă am fi trăit într-un Univers închis (ca o sferă) expansiunea ar fi fost în cele din urmă învinsă de gravitaţie.
Pentru că Ω=1 (şi este egală cu 1, vezi Flatness problem - îmi cer scuze nu ştiu care e cea mai corectă traducere în limba română) Universul e plat şi expansiunea va dura la nesfârşit.

Apropo de accelerarea expansiunii Universului. Ştie cineva dacă s-a stabilit care este valoarea acestei acceleraţii şi de ce tip de acceleraţie este vorba (uniformă sau nu)?

Două precizări:
1. anterior am folosit Ω cu semnificaţia de "densitatea critică" ceea ce e incorect; Ω este raportul dintre densitatea reală a Universului şi densitatea critică.
2. tot anterior, am spus că între Ω şi fluctuaţia maximă a radiaţiei cosmice de fond nu există o legătură, ceea ce e iar incorect. Acel un grad reprezintă unghiul măsurat dintre zona cea mai caldă şi cea mai rece din radiaţia cosmică de fond. Iar acest unghi depinde de curbura Universului, care depinde la rândul ei de Ω cum spuneam mai sus. Această măsurătoare efectuată de WMAP (nu el e primul care a măsurat asta, doar a mărit precizia ei) dă indicaţii asupra valorii lui Ω₀ (valoarea măsurată a lui Ω) ceea ce coroborat cu datele obţinute de proiectul SSDS (Sloan Digital Sky Survey) a dus la valoarea 1 pentru Ω₀ cu o precizie de 1% (sau altfel spus, |Ω₀-1|=0.01)