Космологическая метрика и расширение
Согласно закону сохранения энергии и закону сохранения массы, общее количество энергии, включая массу (E = mc 2 ), остается неизменным на каждом этапе любого процесса во Вселенной. Расширение самой Вселенной потребляет энергию, которая может быть связана с увеличением длины волны фотонов (космологическое красное смещение), взаимодействием темной энергии и т. Д.
Чтобы ускорить исследование более 26000 галактик, Stephen A. Shectmanразработал прибор, способный одновременно измерять 112 галактик. В металлической пластине были просверлены отверстия, соответствующие положениям галактик на небе. Волоконно-оптические кабели переносили свет от каждой галактики в отдельный канал спектрографа на 2,5-метровом телескопе Дюпона вCarnegie Observatories на Серро-лас-Кампанас в Чили.
Для максимальной эффективности используется специальный метод, известный как Drift-Scan PhotometryПри этом телескоп наводили на начало поля обзора, а затем отключали автоматический привод. Телескоп замер, пока небо проплывало мимо. Компьютеры считывают информацию изCCD Detectorс той же скоростью, что и вращение Земли, создавая одно длинное непрерывное изображение на постоянной небесной широте. Фотометрия длилась 450 часов.
Существуют разные формы шума, и их математическое моделирование различается в зависимости от его свойств. Различные физические процессы развивают энергетический спектр Вселенной в больших масштабах. Первоначальный спектр мощности, передаваемый из-за квантовых флуктуаций, следует за отрицательной третьей степенью частоты, которая является формойPink Noise Spectrum в трех измерениях.
Метрика
В космологии сначала нужно дать определение пространства. Метрика - это математическое выражение, описывающее точки в пространстве. Наблюдение за небом осуществляется в сферической геометрии; следовательно, должна использоваться сферическая система координат. Расстояние между двумя близко расположенными точками определяется как -
$$ ds ^ 2 = dr ^ 2 + r ^ 2 \ theta ^ 2 + r ^ 2 sin ^ 2 \ theta d \ phi ^ 2 $$
На следующем изображении показана геометрия в 3-мерном нерасширяющемся евклидовом пространстве.
Эта геометрия все еще находится в 3-мерном нерасширяющемся евклидовом пространстве. Следовательно, опорная сетка, определяющая сам фрейм, будет расширяться. На следующем изображении показан увеличенный показатель.
Масштабный коэффициент вводится в уравнение нерасширяющегося пространства, называемое «масштабным фактором», который включает расширение Вселенной по времени.
$$ ds ^ 2 = a ^ 2 (t) \ left [dr ^ 2 + r ^ 2 \ theta ^ 2 + r ^ 2 sin ^ 2 \ theta d \ phi ^ 2 \ right] $$
где a(t) - коэффициент масштабирования, иногда записываемый как R(t). В то время как,a(t) > 1 означает увеличение метрики, а a(t) < 1 означает сокращение метрики и a(t) = 1означает постоянную метрику. По соглашениюa(t0) = 1.
Сопутствующая система координат
В Comoving Coordinate System, измерительная шкала расширяется вместе с рамкой (расширяющаяся вселенная).
Здесь $ \ left [dr ^ 2 + r ^ 2 \ theta ^ 2 + r ^ 2 sin ^ 2 \ theta d \ phi ^ 2 \ right] $ - это сопутствующее расстояние, а $ ds ^ 2 $ - это Правильное расстояние.
Правильное расстояние будет соответствовать фактическому расстоянию, измеренному до далекой галактики от Земли во время наблюдения, то есть мгновенному расстоянию до объектов.
Это связано с тем, что расстояние, которое проходит фотон, когда он достигает наблюдателя от удаленного источника, будет таким же, как расстояние, полученное наблюдателем в точке $ t = t_0 $, что означало бы, что мгновенное наблюдаемое расстояние будет правильным расстоянием, и можно спрогнозируйте будущие расстояния, используя коэффициент скорости и исходную измеренную длину в качестве ориентира.
Концепция сопутствующего движения и правильного расстояния важна для измерения действительного значения плотности галактик в данном объеме наблюдаемого пространства. Необходимо использовать сопутствующее расстояние для расчета плотности во время их образования, когда наблюдаемый фотон испускался. Это можно получить, если оценить скорость расширения Вселенной.
Чтобы оценить скорость расширения, можно наблюдать изменение расстояния до наблюдаемой далекой галактики в течение длительного периода времени.
Что следует помнить
Метрика - это математическое выражение, описывающее точки в пространстве.
Масштабный коэффициент определяет, сжимается или расширяется вселенная.
В сопутствующей системе координат измерительная шкала расширяется вместе с рамкой (расширяющаяся вселенная).
Правильное расстояние - это мгновенное расстояние до объектов.
Сопутствующее расстояние - это фактическое расстояние до объектов.