الفلك

لماذا يمكننا الوثوق بوقت هابل إذا كان معدل التوسع غير ثابت؟

لماذا يمكننا الوثوق بوقت هابل إذا كان معدل التوسع غير ثابت؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يمكن تقدير عمر الكون بأخذ معكوس ثابت هابل: $ t_ text {universe} = 1 / H_0 = d / v. $

يبدو لي أن هذه الطريقة تفترض أن أي مجرة ​​كانت تنحسر بسرعة ظاهرية ثابتة طوال عمر الكون. ومع ذلك ، من خلال تضمين البيانات من مسافات أكبر وأكبر ، يمكن ملاحظة أن قانون هابل غير صالح. تشير البيانات إلى أن معدل التوسع كان في الواقع أبطأ في الماضي.

لماذا من المناسب استخدام المجرات القريبة فقط لتقدير عمر الكون باستخدام وقت هابل عندما يكون معدل التمدد غير ثابت؟


$ H_0 ^ {- 1} $ هو مجرد تقدير تقريبي لعمر الكون وقد حددت بشكل صحيح أسباب عدم حدوث ذلك.

يعتمد تقدير العمر الصحيح على المعرفة H_0 دولار و كثافة المادة والطاقة المظلمة ، بحيث يمكن صياغة تاريخ التوسع الماضي للكون بشكل صحيح. حتى هذا يعتمد على افتراض حول كيفية تصرف الطاقة المظلمة.

السؤال الأكثر إثارة للاهتمام هو لماذا قيمة H_0 دولار simeq 70 دولار كم ث$^{-1}$/ Mpc يعطي ملف $ H_ {0} ^ {- 1} $ 14 مليار سنة ، أي في حدود نسبة قليلة من أفضل تقدير حالي لعمر الكون البالغ 13.8 مليار سنة. في ال $ لامدا $نموذج علم الكون CDM ، والسبب في هذه المصادفة الكونية هو أن التوسع العالمي قد مر بفترة ديسيلاراتون حتى حوالي 4 مليارات سنة ، عندما بدأ في التسارع مرة أخرى (المنحنى الأحمر على الرسم أدناه).

ونتيجة لذلك ، فإن مماس المنحنى الأحمر ، الذي يظهر حجم الكون مقابل الوقت ، في العصر الحالي تقريبًا يذهب إلى $ { rm size} = 0 دولار منذ حوالي 14 مليار سنة. إذا أردنا العودة إلى الوراء أو إلى الأمام في الوقت المناسب بمقدار 5 مليارات سنة ، فإن الاتفاق بين $ H_0 ^ {- 1} $ ولن يكون عمر الكون بهذه الجودة. في أوقات سابقة $ H_0 ^ {- 1} $ كان من الممكن أن يبالغ في تقدير عمر الكون ، بينما في أوقات لاحقة $ H_0 ^ {- 1} $ سوف نقلل من عمر الكون.


ما مدى سرعة توسع الكون؟

يعتمد توسع أو تقلص الكون على محتواه والتاريخ الماضي. مع وجود مادة كافية ، سوف يتباطأ التوسع أو حتى يتحول إلى انكماش. من ناحية أخرى ، تقود الطاقة المظلمة الكون نحو زيادة معدلات التوسع. عادة ما يتم التعبير عن معدل التمدد الحالي على أنه ثابت هابل (بوحدات كيلومتر في الثانية لكل ميجابارسك ، أو فقط في الثانية).

وجد هابل أن الكون لم يكن ساكنًا ، بل كان يتمدد!


إنه في الواقع انعكاس لحقيقة أن معدل التوسع كان ثابتًا تقريبًا لفترة طويلة.

رياضيًا ، يوصف توسع الكون بمعامل مقياس $ a (t) $ ، والذي يمكن تفسيره على أنه حجم الكون في وقت ما $ t $ ، ولكن بالنسبة إلى حجم مرجعي معين (يتم اختياره عادةً ليكون الحالي بحجم). يتم تعريف معلمة هابل على أنها

ووقت هابل هو معاكس لبارامتر هابل ،

لنفترض الآن أن الكون كان يتمدد بمعدل ثابت طوال تاريخه بأكمله. هذا يعني $ a (t) = ct $. إذا قمت بحساب وقت هابل في هذا النموذج ، فستحصل على

مما يعني أنه في نموذج التوسع الخطي ، فإن زمن هابل ليس سوى العمر الحالي للكون.

في الواقع ، تشير أفضل النظريات الكونية إلى أن الكون لم يتمدد خطيًا منذ البداية. لذلك نتوقع أن عمر الكون ليس بالضبط مساو إلى زمن هابل. ولكن نأمل أن يكون من المنطقي أنه إذا استمر أي توسع غير خطي لفترة قصيرة فقط ، فإن زمن هابل يجب أن يظل كذلك قريب لعصر الكون. هذا هو الوضع الذي نراه اليوم.

لمزيد من المعلومات حول هذا الأمر ، أقترح عليك مراجعة هذه الأسئلة الإضافية


في هذه الحلقة من البودكاست ، تشرح الأستاذة المساعدة للفيزياء مارسيل سواريس سانتوس سبب صعوبة حساب الثابت وكيف يمكن لمنهجها الجديد أن يصححه أخيرًا.

يوجد أدناه نسخة من الحلقة.

لورانس جودمان ، هوست

مرحبًا ومرحبًا بكم في هذا الإصدار من بودكاست جامعة برانديز ، "The Take: Big Ideas Explained in Under 5 Minutes" ، حيث يشرح الأساتذة المفاهيم الأساسية لأبحاثهم في أقل من خمس دقائق.

موضوعنا اليوم هو "مصير الكون يعتمد على ثابت هابل ، فلماذا لا نستطيع معرفة قيمته؟"

أنا لورانس غودمان من مكتب الاتصالات ، وضيفي أستاذ الفيزياء المساعد مارسيل سواريس سانتوس.

ما هو ثابت هابل؟

أستاذ مساعد في الفيزياء مارسيل سوارس-سانتوس

ثابت هابل هو مقياس لمعدل نمو الكون.

مضيف: يوجد حاليًا طريقتان لقياس الثابت.

سوارس سانتوس: إحدى الطرق هي استخدام الأشياء التي نسميها الشموع القياسية. انفجارات السوبرنوفا هي الشمعة الأساسية التي نستخدمها. سيخبرنا السطوع المرصود عن بُعد الكائن. نلاحظ أيضًا ألوان هذه الأشياء. وبينما ينتقل الضوء من الجسم إلى الأرض ، يتمدد الزمكان ، وبالتالي فإن شكل موجة الفوتونات التي تنتقل عبر الزمن يتمدد. لذلك سيظهر الكائن أكثر احمرارًا. يتناسب تأثير الانزياح الأحمر هذا مع المسافة. لذا فإن الجسم الذي يكون أبعد بمقدار الضعف يكون انزياحًا نحو الأحمر مرتين أكثر من الجسم الأقرب.

الطريقة الثانية هي النظر إلى الكون كما كان في مراحله المبكرة جدًا. نحن نقيس اليوم إشعاع الخلفية الكونية الميكروي ، وهي إشارة تنتشر عبر الكون منذ 300000 سنة بعد الانفجار العظيم. إذن ما نفعله هو مقارنة شكل هذه الإشارة بما نتوقعه في ظل معدل تمدد معين. ستؤدي معدلات التمدد المختلفة إلى توقيع مختلف للإشعاع المرصود.

مضيف: ومع ذلك فإن كلتا الطريقتين ليستا صحيحين تمامًا.

سوارس سانتوس: إذا أخذت عدد ثابت هابل الذي تم قياسه عبر المستعر الأعظم وقارنته مع العدد المقاس عبر الخلفية الكونية الميكروية ، فإنهم يختلفون بشكل كبير. إنها نسبة قليلة من الخلاف.

مضيف: مستقبل الكون يرتكز على ما هي قيمة ثابت هابل ، أليس كذلك؟

سوارس سانتوس: صيح. قيمة ثابت هابل ستحدد معدل التوسع اليوم ، ما هو مصير الكون في المستقبل. على سبيل المثال ، إذا كان معدل التوسع مرتفعًا جدًا ، فهذا يعني أن كوننا سيميل إلى الاستمرار في التوسع إلى الأبد. سيصبح معدل التمدد كبيرًا جدًا لدرجة أن قوى الجاذبية التي تحافظ على تماسك نظامنا الشمسي لن تكون كافية لإبقائه معًا ، لذلك سنطير بعيدًا في النظام الشمسي.

إذا كان هذا الرقم منخفضًا جدًا ، فسيكون لدينا دليل على مستقبل يمكن أن يتوقف فيه التوسع وعكسه بالفعل ، بحيث يكون لدينا ما يسميه البعض أحيانًا الأزمة الكبيرة ، على عكس الانفجار العظيم ،

مضيف: أبلغت أنت وفريق من الباحثين مؤخرًا عن طريقة جديدة لحساب ثابت هابل باستخدام موجات الجاذبية.

أولاً ، ما هي موجات الجاذبية؟

سوارس سانتوس: موجات الجاذبية هي تموجات في الفضاء تنتشر عبر الزمكان.

مضيف: الآن كيف يمكنك استخدام هذه الموجات للوصول إلى ثابت هابل؟

سوارس سانتوس: خذ على سبيل المثال ، عندما نسمع صوت الرعد. اعتمادًا على مدى ارتفاعه ، نحصل على فكرة عما إذا كان بعيدًا أو قريبًا. في حالة موجات الجاذبية ، الفكرة متشابهة. نكتشف صوت موجات الجاذبية على الأرض. يخبرنا تحليل الشكل الموجي عن مدى ضخامة النظام ، ومدى ارتفاع هذه الإشارة. يمكننا الآن مقارنة تقديرنا لمدى ارتفاع الصوت مع ارتفاعه في الواقع. وبهذا ، نقدر المسافة التي يقع عليها الكائن.

مضيف: إذن لديك في هذه المرحلة قيمة لثابت هابل.

سوارس سانتوس: القيمة التي نقيسها باستخدام هذه الطريقة هي في الواقع في منتصف المسافة بين القيمة التي حصلنا عليها مع المستعر الأعظم مقابل الخلفية الكونية الميكروية.

مضيف: لذلك لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به.

سوارس سانتوس: حتى الآن ، قمنا بهذا القياس باستخدام حدث واحد فقط ، وأعني بذلك اصطدامًا واحدًا لنجمين نيوترونيين نتج عنه موجات ثقالية واكتشفناها هنا. الآن نريد تكرار ذلك مع العديد والعديد من الأحداث. وبينما نتحدث ، فإن كواشف الموجات الثقالية تعمل وتعمل ونأمل في تجميع المزيد من هذه الأحداث ، والمزيد من النجوم النيوترونية في تصادمات ، حتى نتمكن من إجراء قياس أكثر دقة وتحديد ما إذا كان المستعر الأعظم أو الخلفية الكونية الميكروية الجواب الصحيح.

مضيف: وإليك الأمر ، "مصير الكون يعتمد على قيمة ثابت هابل ، فلماذا لا يمكننا اكتشافه؟" وأوضح في أقل من خمس دقائق. يمكنك العثور على هذا البودكاست على iTunes و Spotify و SoundCloud ، لذلك نأمل أن تشترك وتستمر في الاستماع إلى "The Take: Big Ideas Explained in Under 5 Minutes" ، الذي قدمته لك جامعة برانديز.


Hubble & # 8217s Paradox & # 8211 & # 8220 ثابت في الفضاء وليس في الوقت & # 8221

& # 8220 بينما ثابت هابل ثابت في كل مكان في الفضاء في وقت معين ، فهو ليس ثابتًا في الزمن. & # 8221 يشرح كريس فاسناخت ، أستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا في ديفيس ، عن الأزمة الحالية في علم الكونيات ، أو "التوتر" ، في الفهم معدل تمدد الكون - المعروف باسم "ثابت هابل" - منذ الانفجار العظيم ، وهو جزء مركزي من السعي لاكتشاف أصول الكون.

& # 8220 لذا ، عندما نقارن ثوابت هابل التي تأتي من تقنيات مختلفة ، فإننا نقارن الكون المبكر (باستخدام الملاحظات البعيدة) بالجزء الأخير الأكثر حداثة من الكون (باستخدام الملاحظات المحلية القريبة) ، & # وأضاف 8221.

حصلت مجموعة من علماء الفلك بقيادة جامعة كاليفورنيا ، ديفيس على بيانات جديدة تشير إلى أن الكون يتوسع بسرعة أكبر مما كان متوقعًا. تأتي الدراسة في أعقاب نقاش ساخن حول مدى سرعة تضخم الكون ، والقياسات حتى الآن في خلاف.

حل اللغز باستخدام مرصد W.M Keck & # 8217s Adaptive Optics (AO)

تضمن القياس الجديد لفريق & # 8217s لثابت هابل ، أو معدل تمدد الكون ، طريقة مختلفة. استخدموا NASA & # 8217s Hubble Space Telescope (HST) بالاشتراك مع مرصد W.M Keck & # 8217s Adaptive Optics (AO) لمراقبة ثلاثة أنظمة عدسات الجاذبية. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام تقنية AO الأرضية للحصول على ثابت هابل.

& # 8220 عندما بدأت العمل على هذه المشكلة لأول مرة منذ أكثر من 20 عامًا ، حدت الأجهزة المتاحة من كمية البيانات المفيدة التي يمكنك الحصول عليها من الملاحظات ، & # 8221 يقول المؤلف المشارك Fassnacht. & # 8220 في هذا المشروع ، نستخدم Keck Observatory & # 8217s AO لأول مرة في التحليل الكامل. لقد شعرت لسنوات عديدة أن ملاحظات AO يمكن أن تساهم كثيرًا في هذا الجهد. & # 8221

لاستبعاد أي تحيز ، أجرى الفريق تحليلاً أعمى أثناء المعالجة ، وأبقوا الإجابة النهائية مخفية حتى عن أنفسهم حتى اقتنعوا بأنهم عالجوا أكبر عدد ممكن من مصادر الخطأ كما يخطر ببالهم. منعهم هذا من إجراء أي تعديلات للوصول إلى قيمة & # 8220correct & # 8221 ، وتجنب الانحياز التأكيدي.

& # 8220 عندما اعتقدنا أننا تعاملنا مع جميع المشكلات المحتملة في التحليل ، قمنا بإلغاء التعمية عن الإجابة بالقاعدة التي تنص على أنه يتعين علينا نشر أي قيمة نجدها ، حتى لو كانت مجنونة. إنها & # 8217s دائمًا لحظة متوترة ومثيرة ، & # 8221 يقول المؤلف الرئيسي جيف تشين ، طالب دراسات عليا في قسم الفيزياء بجامعة كاليفورنيا في ديفيس.

كشفت عملية فك التعمية عن قيمة تتفق مع قياسات ثابت هابل المأخوذة من ملاحظات & # 8220local & # 8221 الأجسام القريبة من الأرض ، مثل المستعرات الأعظمية من النوع Ia القريبة أو الأنظمة ذات العدسات الجاذبية ، استخدم فريق Chen & # 8217s الكائنات الأخيرة في تحليلهم الأعمى.

تضيف نتائج الفريق & # 8217s إلى الأدلة المتزايدة على وجود مشكلة في النموذج القياسي لعلم الكونيات ، مما يدل على أن الكون كان يتوسع بسرعة كبيرة في وقت مبكر من تاريخه ، ثم تباطأ التوسع بسبب جاذبية المادة المظلمة ، والآن يتسارع التمدد مرة أخرى بسبب الطاقة المظلمة ، وهي قوة غامضة.

تم تجميع هذا النموذج لتاريخ توسع الكون باستخدام قياسات ثابت هابل التقليدية ، والتي تم أخذها من & # 8220distant & # 8221 ملاحظات لخلفية الميكروويف الكونية (CMB) - الإشعاع المتبقي من الانفجار العظيم عندما بدأ الكون قبل 13.8 مليار سنة .

في الآونة الأخيرة ، بدأت العديد من المجموعات في استخدام تقنيات مختلفة ودراسة أجزاء مختلفة من الكون للحصول على ثابت هابل ووجدت أن القيمة التي تم الحصول عليها من الملاحظات & # 8220local & # 8221 مقابل & # 8220distant & # 8221 تختلف.

يشير هذا إلى أن هناك مشكلة في قياسات CMB ، والتي يقول الفريق إنها غير مرجحة ، أو أن النموذج القياسي لعلم الكونيات يحتاج إلى تغيير بطريقة ما باستخدام فيزياء جديدة لتصحيح التناقض.

منهجية التصوير

تم إنشاء الصورة في الجزء العلوي من الصفحة باستخدام نظام Keck Observatory & # 8217s AO مع كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة ، أداة الجيل الثاني (NIRC2) على تلسكوب Keck II ، وحصل تشين وفريقه على قياسات محلية لثلاثة كوازار معروف جيدًا. الأنظمة: PG1115 + 080 و HE0435-1223 و RXJ1131-1231.

النجوم الزائفة هي مجرات ساطعة ونشطة للغاية ، وغالبًا ما يكون لها نفاثات ضخمة مدعومة بثقب أسود فائق الكتلة تأكل المواد المحيطة بها بشراهة.

على الرغم من أن الكوازارات غالبًا ما تكون بعيدة جدًا ، إلا أن علماء الفلك قادرون على اكتشافها من خلال عدسات الجاذبية ، وهي ظاهرة تعمل كعدسة مكبرة في الطبيعة. عندما تعترض مجرة ​​ضخمة بما يكفي أقرب إلى الأرض طريق الضوء القادم من كوازار بعيد جدًا ، يمكن للمجرة أن تعمل كعدسة حيث يعمل مجال جاذبيتها على تشويش الفضاء نفسه ، مما يؤدي إلى ثني ضوء الكوازار الخلفي في صور متعددة وجعله يبدو أكثر سطوعًا .

في بعض الأحيان ، يتأرجح سطوع الكوازار ، وبما أن كل صورة تتوافق مع طول مسار مختلف قليلاً من الكوازار إلى التلسكوب ، تظهر الومضات في أوقات مختلفة قليلاً لكل صورة — لا تصل جميعها إلى الأرض في نفس الوقت.

باستخدام HE0435-1223 و PG1115 + 080 و RXJ1131-1231 ، قاس الفريق بعناية تلك التأخيرات الزمنية ، والتي تتناسب عكسًا مع قيمة ثابت هابل. يسمح هذا لعلماء الفلك بفك تشفير الضوء من هذه النجوم الزائفة البعيدة وجمع معلومات حول مدى توسع الكون خلال الوقت الذي كان فيه الضوء في طريقه إلى الأرض.

& # 8220 أحد أهم المكونات في استخدام عدسة الجاذبية لقياس ثابت هابل هو التصوير الحساس وعالي الدقة ، & # 8221 قال تشين. & # 8220 حتى الآن ، فإن أفضل قياسات هابل القائمة على العدسة متضمنة جميعًا باستخدام بيانات من HST. عندما كنا غير معفين ، وجدنا شيئين. أولاً ، كان لدينا قيم متسقة مع القياسات السابقة التي كانت تستند إلى بيانات HST ، مما يثبت أن بيانات AO يمكن أن توفر بديلاً قويًا لبيانات HST في المستقبل. ثانيًا ، وجدنا أن الجمع بين بيانات AO و HST يعطي نتيجة أكثر دقة. & # 8221

يقوم تشين وفريقه ، بالإضافة إلى العديد من المجموعات الأخرى في جميع أنحاء الكوكب ، بإجراء المزيد من الأبحاث والملاحظات لمزيد من التحقيق. الآن وقد أثبت فريق Chen & # 8217s أن نظام Keck Observatory & # 8217s AO بنفس قوة HST ، يمكن لعلماء الفلك إضافة هذه المنهجية إلى مجموعة التقنيات الخاصة بهم عند قياس ثابت هابل.

& # 8220 يمكننا الآن تجربة هذه الطريقة مع المزيد من أنظمة الكوازارات العدسية لتحسين دقة قياسنا لثابت هابل. ربما يقودنا هذا إلى نموذج كوني أكثر اكتمالا للكون ، & # 8221 يقول Fassnacht.

تم نشر نتائج الفريق & # 8217s في العدد الأخير عبر الإنترنت من الإخطارات الشهرية للجمعية الملكية الفلكية


الإجابات والردود

ثابت هابل ليس ثابتًا بشكل عام ، يجب أن يُطلق عليه حقًا معلمة هابل.

73 km / sec / Mpsc المقتبسة هي [itex] H_0 [/ itex] أي قيمة H في العصر الحالي.

في أحد النماذج ، نظرية Hoyle / Gold / Bondi Steady State القديمة ، سيكون H ثابتًا طوال الوقت ، وهو مثال على المبدأ الكوني المثالي المشوه الآن.

كنت أتساءل لماذا يبدو أن المصادر المختلفة تعطي قيمًا مختلفة لمعامل هابل تتراوح من منتصف الستينيات إلى منتصف السبعينيات.

اسمحوا لي أن أتوسع قليلاً في ما قاله غارث

ثابت هابل ثابت في الفضاء ، وليس ثابتًا في الزمن. في أي لحظة من الزمن ، دع L هي المسافة المناسبة منا إلى أي مجرة. ثم ، في أي لحظة في زمن علم الكونيات t ، يكون v / L ثابتًا * لجميع * المجرات ، بغض النظر عن المسافة المناسبة بينها وبيننا. في لحظة أخرى في الوقت t '، لا يزال v / L ثابتًا ، ولكنه بشكل عام لا يساوي الثابت في الوقت t ، أي تتغير قيمة هذا الثابت (المكاني) بمرور الوقت. هذا الثابت هو ثابت هابل.

كما أن تسارع الكون ومعدل تغير ثابت هابل مستقلان إلى حد ما. على سبيل المثال ، في الوقت الحالي ، تتناقص قيمة ثابت هابل فيما يتعلق بالوقت ، على الرغم من أن تمدد الكون يتسارع فيما يتعلق بالوقت.

عادة ، تحتاج الآلات الحاسبة الكونية H_0 ، ثابت هابل عند t = الآن.

الآن لقد أربكتني مرة أخرى فقط عندما كنت أفكر في الضباب: اللسان:

هل يمكنك التوسع قليلاً في هذا البيان الأخير؟ كيف تنخفض معلمة هابل الحالية على الرغم من تسارع معدل التمدد في الوقت الحالي؟ أنا متأكد من أنك تعرف ما الذي تتحدث عنه ، لكن لا يمكنني تصويره في الوقت الحالي

في علم الكونيات LambdaCDM القياسي ، وهو ما تنفذه جميع الآلات الحاسبة على الإنترنت (AFAIK) وتستند إليه ، هناك قيمة واحدة فقط لمعامل هابل للكون بأكمله في الوقت الراهن

هناك عدم يقين بشأن القيمة الصحيحة للاستخدام ، ربما 71 أو ربما كما يقول Garth 73 ، هناك بعض شريط خطأ زائد

في النموذج ، تتغير معلمة هابل ، ولكن ببطء شديد في هذا الوقت ، تنخفض تدريجيًا نحو حوالي 55 أو 60 ، إلى قيمة مقاربة ، من الناحية النظرية. لكن هذا التغيير بطيء جدًا ولا يمكن ملاحظته!

يتم تعريف معلمة هابل من حيث المسافة COMOVING ، أي المسافة الحقيقية الفعلية الآن اليوم ، إذا كان بإمكانك قياسها بسلسلة مُعدة مسبقًا من المساعدين في حالة السكون بالنسبة إلى CMB (خلفية الميكروويف) مما يعني أنهم ليسوا في الباقي بالنسبة للأرض أو الكائن المستهدف.

معلمة هابل هي النسبة اليوم لسرعة الركود في هذه اللحظة ، مقسومة على المسافة الفعلية (كومينغ) في هذه اللحظة
لذا فإن وحدات المعلمة هي السرعة (km / s) مقسومة على المسافة (megaparsecs)
أو أي خيار آخر لوحدات السرعة على المسافة. إنه يتلخص في الوقت المتبادل ولكن تقليديًا يقول المرء كم / ث لكل Mpc.

في الماضي ، كان H أكبر بكثير ، مثل 1000 أو 10000 في الأيام الأولى ، ويمكنك بالفعل رؤية هذا إذا كنت تستخدم آلة حاسبة Morgan ، لأن هذه الآلة الحاسبة تخبرك ، من بين أشياء أخرى ، بما كان H في الوقت الحالي النور الذي نتلقاه الآن ينبعث من الجسم ويبدأ رحلته إلينا.

لتشغيل آلة حاسبة Morgan ، عليك كتابة القيمة الحالية لـ H (مثل 71) والانزياح الأحمر للكائن الذي تراقبه ، ثم تخبرك بأشياء مثل المسافة ثم وقت انبعاث الضوء ، والمسافة الآن ، عندما يستقبل الضوء ، وسرعة الركود حينها ، وسرعة الركود الآن ، ومعامل هابل حينها.

من المفيد الحصول على فكرة عن كيفية تغير هذه الكميات.

ربما كنت تستخدم الآلة الحاسبة (أو نيد رايت) واكتشفت كل هذا بالفعل. لكنني سأقدم رابطًا في حال أراد شخص آخر ذلك.


ثابت هابل غير ثابت؟ تقترح أبحاث U-M إصلاح حجر الأساس الكوني (علم الفلك)

منذ أكثر من 90 عامًا ، لاحظ عالم الفلك إدوين هابل أول تلميح لمعدل توسع الكون ، والذي يسمى ثابت هابل.

على الفور تقريبًا ، بدأ علماء الفلك في الجدل حول القيمة الفعلية لهذا الثابت ، وبمرور الوقت ، أدركوا أن هناك تناقضًا في هذا العدد بين ملاحظات الكون المبكرة ومشاهدات الكون المتأخرة.

في وقت مبكر من الكون & # 8217s ، تحرك الضوء عبر البلازما & # 8211 لم تكن هناك نجوم حتى الآن & # 8211 ومن ذبذبات مشابهة للموجات الصوتية الناتجة عن هذا ، استنتج العلماء أن ثابت هابل كان حوالي 67. هذا يعني أن الكون يتمدد حوالي 67 كيلومترًا في الثانية أسرع كل 3.26 مليون سنة ضوئية.

لكن هذه الملاحظة تختلف عندما ينظر العلماء إلى الكون & # 8217s لاحقًا ، بعد ولادة النجوم وتشكيل المجرات. تسبب جاذبية هذه الأجسام ما يسمى بعدسة الجاذبية ، والتي تشوه الضوء بين مصدر بعيد وراصده.

تشمل الظواهر الأخرى في هذا الكون المتأخر الانفجارات والأحداث الشديدة المتعلقة بنهاية حياة النجم و # 8217. بناءً على ملاحظات الحياة اللاحقة ، قام العلماء بحساب قيمة مختلفة ، حوالي 74. هذا التناقض يسمى توتر هابل.

الآن ، قام فريق دولي يضم فيزيائيًا من جامعة ميشيغان بتحليل قاعدة بيانات لأكثر من 1000 انفجار سوبر نوفا ، مما يدعم فكرة أن ثابت هابل قد لا يكون ثابتًا في الواقع.

بدلاً من ذلك ، قد يتغير بناءً على توسع الكون ، وينمو مع توسع الكون. من المحتمل أن يتطلب هذا التفسير فيزياء جديدة لشرح معدل التوسع المتزايد ، مثل نسخة معدلة من جاذبية أينشتاين & # 8217.

تم نشر نتائج الفريق & # 8217s في مجلة الفيزياء الفلكية.

& # 8220 النقطة هي أنه يبدو أن هناك توترًا بين القيم الأكبر لملاحظات الكون المتأخرة والقيم الأدنى لملاحظة الكون المبكرة ، & # 8221 قال Enrico Rinaldi ، زميل باحث في قسم الفيزياء U-M. & # 8220 السؤال الذي طرحناه في هذه الورقة هو: ماذا لو لم يكن ثابت هابل ثابتًا؟ ماذا لو تغير بالفعل؟ & # 8221

استخدم الباحثون مجموعة بيانات من المستعرات الأعظمية والانفجارات المذهلة # 8211 التي تمثل المرحلة الأخيرة من حياة النجم # 8217. عندما تتألق ، فإنها تصدر نوعًا معينًا من الضوء. على وجه التحديد ، كان الباحثون ينظرون إلى المستعرات الأعظمية من النوع Ia.

قال رينالدي إن هذه الأنواع من نجوم المستعرات الأعظمية استُخدمت لاكتشاف أن الكون يتوسع ويتسارع ، ويُعرفون باسم & # 8220 الشموع القياسية ، & # 8221 مثل سلسلة منارات لها نفس المصباح. إذا عرف العلماء لمعانهم ، فيمكنهم حساب المسافة من خلال مراقبة شدتها في السماء.

بعد ذلك ، يستخدم علماء الفلك ما يسمى & # 8220redshift & # 8221 لحساب كيفية زيادة معدل توسع الكون بمرور الوقت. الانزياح الأحمر هو اسم الظاهرة التي تحدث عندما يتمدد الضوء مع توسع الكون.

جوهر الملاحظة الأصلية لـ Hubble & # 8217s هو أنه كلما ابتعدت عن المراقب ، كلما زاد طول الموجة & # 8211 كما لو كنت قد علقت Slinky على الحائط وابتعدت عنه ، ممسكًا طرفًا في يديك. الانزياح الأحمر والمسافة مرتبطان.

في دراسة فريق Rinaldi & # 8217s & # 8217s ، كل صندوق من النجوم له قيمة مرجعية ثابتة للانزياح الأحمر. بمقارنة الانزياح الأحمر لكل سلة من النجوم ، يمكن للباحثين استخراج ثابت هابل لكل من الصناديق المختلفة.

في تحليلهم ، فصل الباحثون هذه النجوم بناءً على فترات الانزياح الأحمر. لقد وضعوا النجوم على مسافة واحدة في & # 8220bin ، & # 8221 ثم عددًا متساويًا من النجوم في الفاصل الزمني التالي للمسافة في حاوية أخرى ، وهكذا. كلما اقترب الصندوق من الأرض ، كلما كانت النجوم أصغر سنًا.

& # 8220 إذا كان & # 8217s ثابتًا ، فلا ينبغي أن يكون مختلفًا عند استخراجه من صناديق ذات مسافات مختلفة. قال رينالدي # 8221 ، لكن نتيجتنا الرئيسية هي أنه يتغير بالفعل مع المسافة. & # 8220 يمكن تفسير شد ثابت هابل ببعض الاعتماد الجوهري لهذا الثابت على مسافة الأشياء التي تستخدمها. & # 8221

بالإضافة إلى ذلك ، وجد الباحثون أن تحليلهم لتغير ثابت هابل مع الانزياح الأحمر يسمح لهم بسلاسة & # 8220 ربط & # 8221 قيمة الثابت من تحقيقات الكون المبكرة والقيمة من تحقيقات الكون المتأخر ، قال رينالدي.

& # 8220 المعلمات المستخرجة لا تزال متوافقة مع الفهم الكوني القياسي الذي لدينا ، & # 8221 قال. & # 8220 لكن هذه المرة يتحولون قليلاً عندما نغير المسافة ، وهذا التحول الصغير كافٍ لشرح سبب وجود هذا التوتر. & # 8221

يقول الباحثون إن هناك عدة تفسيرات محتملة لهذا التغيير الواضح في ثابت هابل & # 8211one كونه احتمال وجود تحيزات رصدية في عينة البيانات. للمساعدة في تصحيح التحيزات المحتملة ، يستخدم علماء الفلك Hyper Suprime-Cam على تلسكوب سوبارو لمراقبة المستعرات الأعظمية الخافتة على مساحة واسعة. ستزيد البيانات المستمدة من هذه الأداة من عينة المستعرات الأعظمية المرصودة من المناطق النائية وتقلل من عدم اليقين في البيانات.

قادت الفريق ماريا داينوتي ، الأستاذة المساعدة في المرصد الفلكي الوطني في اليابان والجامعة العليا للدراسات المتقدمة ، SOKENDAI في اليابان وعالمة منتسبة في معهد علوم الفضاء الأمريكي. رينالدي هو أيضًا باحث في مختبر فيزياء الكم النظري وبرنامج العلوم النظرية والرياضية متعدد التخصصات في معهد الأبحاث RIKEN في اليابان.

من بين زملائه الباحثين بياجيو دي سيمون ، وهو طالب ماجستير سابق وطالب # 8217s في جامعة ساليرنو تيزيانو شيافوني ، طالب دراسات عليا في جامعة بيزا جيوفاني مونتاني ، أستاذ مساعد في جامعة روما & # 8220La Sapienza & # 8221 وباحث في ENEA Gaetano لامبياسي ، أستاذ في جامعة ساليرنو.

ملخص الدراسة: حول التوتر المستمر في هابل في عينة See Ia Pantheon (النص الكامل)

صورة مميزة: في الصورة مستعر أعظم من النوع 1a star 1994D ، في المجرة NGC 4526. المستعر الأعظم هو النقطة المضيئة في الزاوية اليسرى السفلية من الصورة © ESA / Hubble


يضيف مقياس جديد لثابت هابل مزيدًا من الغموض حول معدل تمدد الكون

أجرى علماء جامعة شيكاغو مقياسًا جديدًا لمدى سرعة توسع الكون - باستخدام نوع مختلف تمامًا من النجوم عن المحاولات السابقة. تقع هذه القيمة في مركز سؤال مثير للجدل في الفيزياء الفلكية قد يستدعي نموذجًا جديدًا تمامًا للكون.

لقد عرف العلماء منذ ما يقرب من قرن من الزمان أن الكون يتوسع ، لكن العدد الدقيق لمدى سرعته ظل بعيد المنال بعناد. في عام 2001 ، قادت البروفيسور ويندي فريدمان فريقًا استخدم النجوم البعيدة لإجراء قياس تاريخي لهذا الرقم ، يُدعى ثابت هابل - لكنه لا يتفق مع قياس رئيسي آخر ، واستمر التوتر بين الرقمين حتى عندما يقوم كل طرف بعمله. قراءات أكثر دقة.

في ورقة جديدة ستنشر قريباً في مجلة الفيزياء الفلكيةأعلنت فريدمان وفريقها قياسًا جديدًا لثابت هابل باستخدام نوع من النجوم يعرف باسم العملاق الأحمر. تشير ملاحظاتهم ، التي تم إجراؤها باستخدام تلسكوب هابل الفضائي التابع لناسا ، إلى أن معدل التوسع في ركننا من الكون يقل قليلاً عن 70 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ - أصغر قليلاً من القياس السابق ، ولكن لا يخفف التوتر.

قال فريدمان ، أستاذ علم الفلك بجامعة جون وماريون سوليفان والفيزياء الفلكية وعالم الفلك المشهور عالميًا. "التناقض الذي رأيناه من قبل لم يختفِ ، لكن هذا الدليل الجديد يشير إلى أن هيئة المحلفين ما زالت قائمة بشأن ما إذا كان هناك سبب فوري ومقنع للاعتقاد بأن هناك شيئًا معيبًا بشكل أساسي في نموذجنا الحالي للكون."

رقم وراء نظرية الكون

ثابت هابل ، الذي سمي على اسم عالم الفلك الرائد وإدوين هابل ، يدعم كل شيء في الكون - من تقديرنا لوقت حدوث الانفجار العظيم إلى كمية المادة المظلمة. إنه يساعد العلماء على رسم نظرية لتاريخ الكون وبنيته ، والعكس بالعكس ، إذا كانت هناك خطوط صدع في تلك النظرية ، فإن القياس الدقيق لثابت هابل قد يقودهم إليها.

قبل عشرين عامًا ، أعلن فريق مشروع مفتاح تلسكوب هابل الفضائي ، الذي قاده فريدمان ، أنه قاس القيمة باستخدام نجوم بعيدة تسمى Cepheids ، والتي تنبض على فترات منتظمة. خلص برنامجهم إلى أن قيمة ثابت هابل لكوننا كانت 72. وبينما صقل علماء الفلك تحليلاتهم وجمعوا بيانات جديدة ، ظل هذا الرقم ثابتًا إلى حد ما ، عند حوالي 73.

لكن في الآونة الأخيرة ، اتخذ العلماء نهجًا مختلفًا تمامًا: بناء نموذج يعتمد على البنية المتموجة للضوء المتبقي من اللحظات الأولى للانفجار العظيم ، والذي يُطلق عليه اسم الخلفية الكونية الميكروية. إذا قاموا بتشغيل نموذج إلى الأمام في الوقت المناسب ، واستقراء من اللحظات القليلة الأولى للكون ، فقد وصلوا إلى قيمة 67. هذا الاختلاف مهم - حوالي 10 في المائة - واستمر في التماسك مع مرور الوقت.

بحث كلا المعسكرين عن أي شيء قد يتسبب في عدم التطابق. قال فريدمان: "بطبيعة الحال ، تثار أسئلة حول ما إذا كان التناقض ناتجًا عن بعض الجوانب التي لا يفهمها علماء الفلك بعد حول النجوم التي نقيسها ، أو ما إذا كان نموذجنا الكوني للكون لا يزال غير مكتمل". "أو ربما يحتاج كلاهما إلى التحسين."

رسم خرائط النجوم

يتمثل جزء أساسي من التحدي في قياس الكون في أنه من الصعب جدًا حساب المسافات إلى الأشياء البعيدة بدقة. نظر فريق فريدمان في الأصل إلى نوعين من النجوم التي لها خصائص موثوقة تسمح لعلماء الفلك باستخدامهما معًا كعصا قياس كونية: المستعرات الأعظمية من النوع Ia ، والتي تنفجر عند سطوع منتظم ومتغيرات Cepheid ، وهي النجوم التي تنبض على فترات منتظمة يمكن مطابقتها. إلى ذروة سطوعها. ولكن لا يزال من الممكن أن يكون هناك شيئًا ما عن القيفيزيات لم يفهمه العلماء تمامًا بعد ، والذي يمكن أن يؤدي إلى حدوث أخطاء.

سعى فريق فريدمان إلى التحقق من نتائجهم من خلال إنشاء مسار جديد ومستقل تمامًا إلى ثابت هابل باستخدام نوع مختلف تمامًا من النجوم.

بعض النجوم تنهي حياتها كنوع شديد السطوع من النجوم يسمى العملاق الأحمر. عند نقطة معينة ، يخضع النجم لحدث كارثي يسمى وميض الهيليوم ، حيث ترتفع درجة الحرارة إلى حوالي 100 مليون درجة ويعاد ترتيب بنية النجم ، مما يؤدي في النهاية إلى تقليل لمعانه بشكل كبير. (سيحدث هذا يومًا ما لشمسنا ، والتي ستصبح أيضًا عملاقًا أحمر). يمكن لعلماء الفلك رؤية النقطة التي ينخفض ​​فيها لمعان النجوم ، ويمكنهم استخدام هذا كوسيلة لمعرفة المسافة.

قال فريدمان: "المبدأ بسيط". "تخيل أنك تقف بالقرب من مصباح شارع تعلم أنه على بعد 10 أقدام. على فترات منتظمة أسفل الشارع ، يمكنك رؤية المزيد من أضواء الشوارع ، والتي تتضاءل تدريجياً كلما ابتعدت. Knowing how far away and how bright the lamp is beside you, and then measuring how much fainter the more distant lamps appear to be, allows you to estimate the distances to each of the other lamps all down the road.”

Freedman’s team put this into action using sensitive cameras on the Hubble Space Telescope, searching for their new cosmic lampposts. By comparing the apparent luminosities of the distant red giants with nearby ones that we’ve measured with other methods, and pairing these readings with those from Type Ia supernovae, Freedman and her team were able to determine how far away each of the host galaxies were.

The next step is straightforward: How fast that galaxy is moving away from us is the product of its distance times the Hubble constant. Luckily, a galaxy’s velocity is simple to measure—the light coming from galaxies shifts depending on how fast the galaxy is moving away from us.

Their calculations gave a Hubble constant of 69.8 —straddling the two previously determined numbers.

“Our initial thought was that if there’s a problem to be resolved between the Cepheids and the Cosmic Microwave Background, then the red giant method can be the tie-breaker,” said Freedman.

“The red giant method is independent of the Cepheids and is incredibly precise. The stars used are of lower mass, have different evolutionary histories and are located in different regions of distant galaxies,” said Taylor Hoyt, a University of Chicago graduate student and co-author on the paper.

But the results do not appear to strongly favor one answer over the other.

“We are working at the frontier of what is currently known about cosmology,” Freedman concluded. “These results suggest that we do not have the final answer yet. The burden of proof is high when claims of new physics hang in the balance, but that’s what makes it exciting,” she said. “Either way the conflict resolves, it is important. We either confirm our standard model of cosmology, or we learn something new about the universe.”

The other University of Chicago co-author was Dylan Hatt, PhD’18. Carnegie scientist Barry Madore also has a visiting appointment at UChicago. Other co-authors included scientists with the Observatories of the Carnegie Institution for Science, Princeton University, Seoul National University, Penn State, Florida Atlantic University and the Leibniz Institute for Astrophysics-Potsdam.

Funding: NASA, National Science Foundation, National Research Foundation of Korea, Ahmanson Foundation.


Beyond the Standard Model

This is not the first time the universe&rsquos expansion has flummoxed scientists. In the 1920s the expansion itself came as a shock to most researchers, especially Albert Einstein. Contrary to his preference for a static cosmos, Einstein&rsquos theory of general relativity predicted a universe that would inevitably expand or collapse. To &ldquofix&rdquo this he added a new term to his calculations: a sort of antigravity suffusing all of space that could act to preserve universal equilibrium. Einstein first dubbed it &ldquothe cosmological constant&rdquo&mdashbut later allegedly called it his &ldquobiggest blunder,&rdquo following Hubble&rsquos discovery. Einstein&rsquos initial intuition was apparently vindicated beginning in the 1990s, when Riess and other astronomers found distant type Ia supernovae were dimmer (and thus farther away) than expected. A mysterious &ldquodark energy&rdquo seemed to be causing the universe&rsquos expansion to accelerate perhaps, many physicists speculated, the dark energy and the cosmological constant were one and the same. Measurements from the CMB and other sources rapidly confirmed dark energy&rsquos existence if not its exact nature, resulting in Riess and two others receiving the 2011 Nobel Prize in Physics.

Because its effects would be evenly distributed throughout all of space, as space itself expands the cosmological constant would become more powerful, ramping up the rate of acceleration to produce either a big chill or a big rip as the universe&rsquos ultimate fate. But that boost, it seems, would still fall short of the Hubble constant the SH0ES team and other groups observe in the universe today. So the current tension, Riess speculates, could be due to dark energy not being Einstein&rsquos cosmological constant at all (although he hastens to add such scenarios are not strongly supported by observations of galaxies midway between the CMB and the present). If dark energy is not Einstein&rsquos cosmological constant, it could potentially fuel an even speedier acceleration, easing the tension. In theory, such a nonstandard form of dark energy could also profoundly diminish or even reverse its effects in the future, leaving open the possibility that the universe could still experience a big crunch.

Other speculative explanations exist for the tension, each one another path researchers must follow through the maze of possibilities deciding the ultimate fate of the cosmos. They include as-yet-undiscovered varieties of fast-moving subatomic particles, the influence of hidden &ldquoextra&rdquo dimensions, or various interactions with dark matter&mdashto name just a few. It could be that more than one type of physics beyond the standard model is at play in the apparent tension between Hubble constant estimates from opposite ends of the universe.


Fast radio bursts could help solve the mystery of the universe’s expansion

Short-lived bursts of radio waves from deep space, possibly from eruptions on magnetic stars (one illustrated), are now being used to measure the expansion of the universe.

شارك هذا:

Astronomers have been arguing about the rate of the universe’s expansion for nearly a century. A new independent method to measure that rate could help cast the deciding vote.

For the first time, astronomers calculated the Hubble constant — the rate at which the universe is expanding — from observations of cosmic flashes called fast radio bursts, or FRBs. While the results are preliminary and the uncertainties are large, the technique could mature into a powerful tool for nailing down the elusive Hubble constant, researchers report April 12 at arXiv.org.

Ultimately, if the uncertainties in the new method can be reduced, it could help settle the long-standing debate that holds our understanding of the universe’s physics in the balance (SN: 7/30/19).

“I see great promises in this measurement in the future, especially with the growing number of detected repeated FRBs,” says Stanford University astronomer Simon Birrer, who was not involved with the new work.

Astronomers typically measure the Hubble constant in two ways. One uses the cosmic microwave background, the light released shortly after the Big Bang, in the distant universe. The other uses supernovas and other stars in the nearby universe. These approaches currently disagree by a few percent. The new value from FRBs comes in at an expansion rate of about 62.3 kilometers per second for every megaparsec (about 3.3 million light-years). While lower than the other methods, it’s tentatively closer to the value from the cosmic microwave background, or CMB.

“Our data agrees a little bit more with the CMB side of things compared to the supernova side, but the error bar is really big, so you can’t really say anything,” says Steffen Hagstotz, an astronomer at Stockholm University. Nonetheless, he says, “I think fast radio bursts have the potential to be as accurate as the other methods.”

اشترك للحصول على أحدث من أخبار العلوم

عناوين وملخصات من أحدث أخبار العلوم من المقالات ، يتم تسليمها إلى بريدك الوارد

No one knows exactly what causes FRBs, though eruptions from highly magnetic neutron stars are one possible explanation (SN: 6/4/20). During the few milliseconds when FRBs blast out radio waves, their extreme brightness makes them visible across large cosmic distances, giving astronomers a way to probe the space between galaxies (SN: 5/27/20).

As an FRB signal travels through the dust and gas separating galaxies, it becomes scattered in a predictable way that causes some frequencies to arrive slightly later than others. The farther away the FRB, the more dispersed the signal. Using measurements of this dispersion, Hagstotz and colleagues estimated the distances to nine FRBs. Comparing those distances to the speeds at which the FRBs’ host galaxies are receding from Earth, the team calculated the Hubble constant.

The largest error in the new method comes from not knowing precisely how the FRB signal disperses as it exits its home galaxy before entering intergalactic space, where the gas and dust content is better understood. With a few hundred FRBs, the team estimates that it could reduce the uncertainties and match the accuracy of other methods such as supernovas.

“It’s a first measurement, so not too surprising that the current results are not as constraining as other more matured probes,” says Birrer.

New FRB data might be coming soon. Many new radio observatories are coming online and larger surveys, such as ones proposed for the Square Kilometre Array, could discover tens to thousands of FRBs every night. Hagstotz expects there will sufficient FRBs with distance estimates in the next year or two to accurately determine the Hubble constant. Such FRB data could also help astronomers understand what’s causing the bright outbursts.

“I am very excited about the new possibilities that we will have soon,” Hagstotz says. “It’s really just beginning.”

أسئلة أو تعليقات على هذه المقالة؟ راسلنا على [email protected]

Editor's Note:

This story was updated on April 22, 2021, to clarify how the researchers calculated the Hubble constant. They compared FRB signal dispersions to the speeds at which the host galaxies move away from Earth.

اقتباسات

S. Hagstotz, R. Reischke and R. Lilow. A new measurement of the Hubble constant using fast radio bursts. arXiv:2104.04538. Posted online April 12, 2021.


شاهد الفيديو: ثابت هابل المتغير (شهر نوفمبر 2022).