Vũ trụ học - Vũ trụ mở rộng
Cosmologylà nghiên cứu về vũ trụ. Truy ngược thời gian, có một số trường phái suy nghĩ về nguồn gốc của vũ trụ. Nhiều học giả tin vàoSteady State Theory. Theo lý thuyết này, vũ trụ luôn luôn giống nhau, nó không có khởi đầu.
Trong khi có một nhóm người tin vào Big Bang Theory. Lý thuyết này dự đoán sự khởi đầu của vũ trụ. Có bằng chứng về bức xạ nóng còn sót lại từ Vụ nổ lớn, điều này một lần nữa hỗ trợ mô hình. Lý thuyết Vụ nổ lớn dự đoán sự phong phú của các nguyên tố nhẹ trong vũ trụ. Do đó, theo mô hình nổi tiếng của Vụ nổ lớn, chúng ta có thể nói rằng vũ trụ đã có một sự khởi đầu. Chúng ta đang sống trong một vũ trụ đang giãn nở.
Dịch chuyển đỏ của Hubble
Vào đầu những năm 1900, kính thiên văn hiện đại, Mt Wilson, kính thiên văn 100 inch, là kính thiên văn lớn nhất khi đó. Hubble là một trong những nhà khoa học lỗi lạc, người đã làm việc với kính viễn vọng đó. Ông phát hiện ra có những thiên hà bên ngoài Dải Ngân hà.Extragalactic Astronomymới 100 tuổi. Mt Wilson là kính thiên văn lớn nhất cho đến khi Đài thiên văn Palmer được xây dựng, nơi có kính thiên văn 200 inch.
Hubblekhông phải là người duy nhất quan sát các thiên hà bên ngoài Dải Ngân hà, Humason đã giúp anh ta. Họ bắt đầu đo quang phổ của các thiên hà gần đó. Sau đó, họ quan sát thấy một quang phổ thiên hà nằm trong dải bước sóng khả kiến với sự phát xạ liên tục. Có các vạch phát xạ và hấp thụ trên đỉnh của liên tục. Từ những dòng này, chúng ta có thể ước tính xem thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta hay về phía chúng ta.
Khi chúng tôi nhận được quang phổ, chúng tôi giả định rằng vạch mạnh nhất đến từ H-α. Từ văn học, dòng mạnh nhất nên xảy ra ở6563 Å, nhưng nếu dòng xảy ra ở đâu đó xung quanh 7000Å, chúng ta có thể dễ dàng nói nó bị dịch chuyển đỏ.
Từ Special Theory of Relativity,
$$ 1 + z = \ sqrt {\ frac {1+ \ frac {v} {c}} {1- \ frac {v} {c}}} $$
trong đó, Z là dịch chuyển đỏ, một số không thứ nguyên và v là vận tốc lùi.
$$ \ frac {\ lambda_ {obs}} {\ lambda_ {rest}} = 1 + z $$
Hubble và Humason được liệt kê xuống 22 Galaxiestrong bài báo của họ. Gần như tất cả các thiên hà này đều có hiện tượng dịch chuyển đỏ. Họ vẽ biểu đồ vận tốc (km / s) so với khoảng cách (Mpc). Họ đã quan sát một xu hướng tuyến tính và Hubble đã đưa ra định luật nổi tiếng của mình như sau.
$$ v_r = H_o d $$
Đây là Hubble Redshift Distance Relationship. Chỉ số dướircho biết sự mở rộng là theo hướng xuyên tâm. Trong khi, $ v_r $ là vận tốc rút lui, $ H_o $ là thông số Hubble,dlà khoảng cách của thiên hà với chúng ta. Họ kết luận rằng các thiên hà xa chúng ta rút lui nhanh hơn, nếu tốc độ giãn nở của vũ trụ là đồng đều.
Việc mở rộng
Mọi thứ đang rời xa chúng ta. Các thiên hà không đứng yên, luôn có một số điều hòa giãn nở. Các đơn vị của tham số Hubble là km giây −1 Mpc −1 . Nếu người ta đi ra ngoài một khoảng cách - 1 Mpc, các thiên hà sẽ chuyển động với tốc độ 200 km / giây. Tham số Hubble cho chúng ta biết tốc độ mở rộng. Theo Hubble và Humason, giá trị của $ H_o $ là 200 km / giây / Mpc.
Dữ liệu cho thấy tất cả các thiên hà đang di chuyển ra khỏi chúng ta. Như vậy, rõ ràng là chúng ta đang ở trung tâm của vũ trụ. Nhưng Hubble đã không mắc sai lầm này, theo ông ấy, trong bất kỳ thiên hà nào chúng ta đang sống, chúng ta sẽ thấy tất cả các thiên hà khác đang di chuyển ra khỏi chúng ta. Do đó, kết luận là không gian giữa các thiên hà giãn nở và không có trung tâm của vũ trụ.
Sự mở rộng đang diễn ra ở khắp mọi nơi. Tuy nhiên, có một số thế lực đang chống lại sự bành trướng. Liên kết hóa học, lực hấp dẫn và các lực hấp dẫn khác đang giữ các vật lại với nhau. Trước đó tất cả các đối tượng ở gần nhau. Coi Vụ nổ lớn là một lực xung động, các vật thể này chuyển động ra xa nhau.
Thang thời gian
Ở quy mô cục bộ, Động học được điều chỉnh bởi Trọng lực. Trong định luật Hubble ban đầu, có một số thiên hà cho thấy sự dịch chuyển màu xanh lam. Điều này có thể được cho là tiềm năng hấp dẫn tổng hợp của các thiên hà. Lực hấp dẫn đã tách mọi thứ ra khỏi định luật Hubble. Thiên hà Andromeda đang tiến về phía chúng ta. Trọng lực đang cố gắng làm mọi thứ chậm lại. Ban đầu việc mở rộng đang chậm lại, bây giờ nó đang được tăng tốc.
Có một Cosmic Jerkvì điều này. Một số ước tính cho tham số Hubble đã được thực hiện. Nó đã phát triển trong 90 năm từ 500 km / giây / Mpc lên 69 km / giây / Mpc. Sự chênh lệch về giá trị là do khoảng cách bị đánh giá thấp. CácCepheid Stars được sử dụng làm máy hiệu chuẩn khoảng cách, tuy nhiên có nhiều loại sao Cepheid khác nhau và thực tế này không được xem xét để ước tính tham số Hubble.
Giờ Hubble
Hằng số Hubble cho chúng ta ước tính thực tế về tuổi của vũ trụ. $ H_o $ sẽ cho biết tuổi của vũ trụ với điều kiện các thiên hà chuyển động với cùng một vận tốc. Nghịch đảo của $ H_o $ cho chúng ta thời gian Hubble.
$$ t_H = \ frac {1} {H_o} $$
Thay thế giá trị hiện tại của $ H_o, t_H $ = 14tỷ năm. Tốc độ mở rộng không đổi trong suốt thời kỳ đầu của Vũ trụ. Ngay cả khi điều này không đúng, $ H_o $ đưa ra một giới hạn hữu ích về tuổi của vũ trụ. Giả sử tốc độ giãn nở không đổi, khi chúng ta vẽ đồ thị giữa quãng đường và thời gian, độ dốc của đồ thị được cho bởi vận tốc.
Trong trường hợp này, thời gian của Hubble bằng với thời gian thực. Tuy nhiên, nếu vũ trụ giãn nở nhanh hơn trong quá khứ và chậm hơn trong hiện tại, thì thời gian Hubble đưa ra giới hạn trên của tuổi vũ trụ. Nếu trước đây vũ trụ giãn nở chậm và hiện tại đang tăng tốc, thì thời gian Hubble sẽ đưa ra giới hạn thấp hơn về tuổi của vũ trụ.
$ t_H = t_ {age} $ - nếu tốc độ mở rộng không đổi.
$ t_H> t_ {age} $ - nếu vũ trụ giãn nở nhanh hơn trong quá khứ và chậm hơn trong hiện tại.
$ t_H <t_ {age} $ - nếu vũ trụ giãn nở chậm hơn trong quá khứ và nhanh hơn trong hiện tại.
Hãy xem xét một nhóm gồm 10 thiên hà có tốc độ 200 Mpc từ một nhóm thiên hà khác. Các thiên hà trong một cụm không bao giờ kết luận rằng vũ trụ đang giãn nở bởi vì động học trong một nhóm cục bộ bị chi phối bởi lực hấp dẫn.
Những điểm cần nhớ
Vũ trụ học là nghiên cứu về quá khứ, hiện tại và tương lai của Vũ trụ của chúng ta.
Vũ trụ của chúng ta đã ∼14 tỷ năm tuổi.
Vũ trụ không ngừng giãn nở.
Tham số Hubble là thước đo tuổi của vũ trụ.
Giá trị hiện tại của Ho là 69 km / giây / Mpc.