จักรวาลวิทยา - จักรวาลที่ขยายตัว
Cosmologyคือการศึกษาจักรวาล ย้อนกลับไปในช่วงเวลานั้นมีความคิดมากมายเกี่ยวกับการกำเนิดของจักรวาล นักวิชาการหลายคนเชื่อในSteady State Theory. ตามทฤษฎีนี้จักรวาลเหมือนเดิมเสมอไม่มีจุดเริ่มต้น
ในขณะที่มีกลุ่มคนที่มีความเชื่อในเรื่อง Big Bang Theory. ทฤษฎีนี้ทำนายจุดเริ่มต้นของจักรวาล มีหลักฐานการแผ่รังสีที่ร้อนจัดจากบิ๊กแบงซึ่งสนับสนุนโมเดลอีกครั้ง ทฤษฎีบิ๊กแบงทำนายความอุดมสมบูรณ์ขององค์ประกอบแสงในจักรวาล ดังนั้นตามแบบจำลองที่มีชื่อเสียงของบิ๊กแบงเราสามารถระบุได้ว่าจักรวาลมีจุดเริ่มต้น เรากำลังอยู่ในจักรวาลที่ขยายตัว
ฮับเบิล Redshift
ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 กล้องโทรทรรศน์ที่ทันสมัย Mt Wilsonกล้องโทรทรรศน์ขนาด 100 นิ้วเป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดในตอนนั้น ฮับเบิลเป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์คนสำคัญที่ทำงานร่วมกับกล้องโทรทรรศน์นั้น เขาค้นพบว่ามีกาแลคซีนอกทางช้างเผือกExtragalactic Astronomyมีอายุเพียง 100 ปี Mt Wilson เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดจนกระทั่ง Palmer Observatory ถูกสร้างขึ้นซึ่งมีกล้องโทรทรรศน์ขนาด 200 นิ้ว
Hubbleไม่ใช่คนเดียวที่สังเกตกาแลคซีนอกทางช้างเผือก Humason ช่วยเขา พวกเขาเริ่มต้นในการวัดสเปกตรัมของกาแลคซีในบริเวณใกล้เคียง จากนั้นพวกเขาสังเกตเห็นสเปกตรัมของกาแลคซีอยู่ในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้โดยมีการปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่อง มีสายการปล่อยและการดูดซับที่ด้านบนของความต่อเนื่อง จากเส้นเหล่านี้เราสามารถประมาณได้ว่ากาแลคซีกำลังเคลื่อนที่ออกจากเราหรือเข้าหาเรา
เมื่อเราได้สเปกตรัมเราถือว่าเส้นที่แข็งแกร่งที่สุดมาจาก H-α. จากวรรณคดีบรรทัดที่แข็งแกร่งที่สุดควรเกิดขึ้นที่6563 Åแต่ถ้าเส้นนั้นเกิดขึ้นที่ไหนสักแห่ง 7000Åเราสามารถพูดได้ง่ายๆว่ามันเปลี่ยนเป็นสีแดง
จาก Special Theory of Relativity,
$$ 1 + z = \ sqrt {\ frac {1+ \ frac {v} {c}} {1- \ frac {v} {c}}} $$
โดยที่ Z คือการเปลี่ยนสีแดงตัวเลขที่ไม่มีมิติและ v คือความเร็วถดถอย
$$ \ frac {\ lambda_ {obs}} {\ lambda_ {rest}} = 1 + z $$
ฮับเบิลและฮิวเมสันระบุไว้ 22 Galaxiesในกระดาษของพวกเขา กาแลคซีเหล่านี้เกือบทั้งหมดแสดงการเปลี่ยนสีแดง พวกเขาวางแผนความเร็ว (km / s) เทียบกับระยะทาง (Mpc) พวกเขาสังเกตเห็นแนวโน้มเชิงเส้นและฮับเบิลหยิบยกกฎที่มีชื่อเสียงของเขาดังนี้
$$ v_r = H_o d $$
นี้เป็น Hubble Redshift Distance Relationship. ตัวห้อยrแสดงว่าการขยายตัวอยู่ในแนวรัศมี ในขณะที่ $ v_r $ คือความเร็วที่ลดลง $ H_o $ คือพารามิเตอร์ฮับเบิลdคือระยะห่างของกาแลคซีจากเรา พวกเขาสรุปว่ากาแลคซีที่อยู่ไกลออกไปจะถอยห่างจากเราเร็วขึ้นหากอัตราการขยายตัวของเอกภพเท่ากัน
การขยายตัว
ทุกอย่างกำลังถอยห่างจากเรา กาแลคซีไม่อยู่นิ่งมีฮาร์มอนิกขยายตัวอยู่เสมอ หน่วยของพารามิเตอร์ฮับเบิลเป็นกมวินาที-1กนง -1 หากมีคนออกไปไกลกว่า - 1 Mpc กาแลคซีจะเคลื่อนที่ด้วยอัตรา 200 กม. / วินาที พารามิเตอร์ของฮับเบิลทำให้เรามีอัตราการขยายตัว ตามฮับเบิลและฮิวเมสันค่าของ $ H_o $ คือ 200 กม. / วินาที / Mpc
ข้อมูลแสดงให้เห็นว่ากาแลคซีทั้งหมดกำลังเคลื่อนออกจากเรา ดังนั้นจึงเห็นได้ชัดว่าเราอยู่ที่ศูนย์กลางของจักรวาล แต่ฮับเบิลไม่ได้ทำผิดเช่นนี้ตามเขาในกาแล็กซีใดที่เราอาศัยอยู่เราจะพบกาแล็กซีอื่น ๆ ทั้งหมดที่เคลื่อนตัวออกไปจากเรา ดังนั้นข้อสรุปก็คือช่องว่างระหว่างกาแลคซีขยายตัวและไม่มีศูนย์กลางของจักรวาล
การขยายตัวเกิดขึ้นทุกที่ อย่างไรก็ตามมีกองกำลังบางส่วนที่ต่อต้านการขยายตัว พันธะเคมีแรงโน้มถ่วงและแรงดึงดูดอื่น ๆ กำลังจับวัตถุเข้าด้วยกัน ก่อนหน้านี้วัตถุทั้งหมดอยู่ใกล้กัน เมื่อพิจารณาบิ๊กแบงเป็นแรงกระตุ้นวัตถุเหล่านี้ถูกกำหนดให้เคลื่อนออกจากกัน
มาตราส่วนเวลา
ที่เครื่องชั่งท้องถิ่น Kinematics อยู่ภายใต้แรงโน้มถ่วง ในกฎเดิมของฮับเบิลมีกาแลคซีบางแห่งที่แสดงการเลื่อนสีน้ำเงิน สิ่งนี้สามารถให้เครดิตกับศักยภาพความโน้มถ่วงรวมของกาแลคซี แรงโน้มถ่วงได้แยกสิ่งต่าง ๆ ออกจากกฎของฮับเบิล ดาราจักรแอนโดรเมดากำลังมาหาเรา แรงโน้มถ่วงพยายามทำให้สิ่งต่างๆช้าลง ตอนแรกการขยายตัวช้าลงตอนนี้กำลังเร่ง
มี Cosmic Jerkเพราะเหตุนี้ มีการประมาณการพารามิเตอร์ฮับเบิลไว้หลายครั้ง มีการพัฒนามาตลอด 90 ปีจาก 500 กม. / วินาที / Mpc เป็น 69 กม. / วินาที / Mpc ความแตกต่างของค่าเป็นเพราะการประเมินระยะทางต่ำเกินไป Cepheid Stars ถูกใช้เป็นเครื่องวัดระยะทางอย่างไรก็ตามมีดาวเซเฟอิดหลายประเภทและข้อเท็จจริงนี้ไม่ได้ถูกนำมาพิจารณาในการประมาณค่าพารามิเตอร์ฮับเบิล
เวลาฮับเบิล
ค่าคงที่ของฮับเบิลช่วยให้เราสามารถประมาณอายุของจักรวาลได้อย่างสมจริง $ H_o $ จะให้อายุของเอกภพในกรณีที่กาแลคซีเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเท่ากัน ค่าผกผันของ $ H_o $ ทำให้เรามีเวลาฮับเบิล
$$ t_H = \ frac {1} {H_o} $$
การแทนที่มูลค่าปัจจุบันของ $ H_o, t_H $ = 14พันล้านปี อัตราการขยายตัวคงที่ตลอดช่วงเริ่มต้นของจักรวาล แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่เป็นความจริง $ H_o $ ก็ให้ขีด จำกัด อายุของจักรวาลที่เป็นประโยชน์ สมมติว่าอัตราการขยายคงที่เมื่อเราพล็อตกราฟระหว่างระยะทางและเวลาความชันของกราฟจะได้รับจากความเร็ว
ในกรณีนี้เวลาของฮับเบิลจะเท่ากับเวลาจริง อย่างไรก็ตามหากเอกภพขยายตัวเร็วกว่าในอดีตและช้ากว่าในปัจจุบันเวลาของฮับเบิลจะให้อายุของเอกภพที่ จำกัด สูงสุด หากเอกภพขยายตัวอย่างช้าๆก่อนหน้านี้และเร่งขึ้นในขณะนี้เวลาของฮับเบิลจะให้อายุของเอกภพลดลง
$ t_H = t_ {age} $ - หากอัตราการขยายคงที่
$ t_H> t_ {age} $ - ถ้าจักรวาลขยายตัวเร็วกว่าในอดีตและช้ากว่าในปัจจุบัน
$ t_H <t_ {age} $ - ถ้าจักรวาลขยายตัวช้าลงในอดีตและเร็วกว่าในปัจจุบัน
ลองพิจารณากลุ่มกาแลคซี 10 กลุ่มซึ่งอยู่ที่ 200 Mpc จากกาแลคซีกลุ่มอื่น กาแลคซีภายในกระจุกดาวไม่เคยสรุปได้ว่าเอกภพกำลังขยายตัวเนื่องจากจลนศาสตร์ภายในกลุ่มท้องถิ่นถูกควบคุมโดยความโน้มถ่วง
สิ่งที่ต้องจำ
จักรวาลวิทยาคือการศึกษาอดีตปัจจุบันและอนาคตของจักรวาลของเรา
จักรวาลของเรามีอายุ ∼14 พันล้านปี
จักรวาลกำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่อง
พารามิเตอร์ของฮับเบิลเป็นการวัดอายุของจักรวาล
ค่าปัจจุบันของ Ho คือ 69 กม. / วินาที / Mpc