Чому ми бачимо далекі галактики такими, якими вони були в минулому?

Фотографія далекої галактики може бути зроблена сьогодні, а світло на ній — вирушити до нас задовго до появи Землі. Телескоп не відмотує історію назад. Він просто приймає повідомлення, яке довго було в дорозі.

Ми бачимо далекі галактики в минулому, тому що світло поширюється зі скінченною швидкістю: до телескопа доходять фотони, випромінені раніше. Час отримання зображення і час події в галактиці — різні моменти. Для космологічних масштабів тривалість цієї затримки обчислюють із урахуванням розширення Всесвіту. NASA: як телескоп бачить минуле, Hogg: час погляду в минуле.

Світло приносить новини із затримкою

Навіть звичайний погляд має затримку: світлу потрібен час, щоб перетнути кімнату. На побутовій відстані вона надто мала для нашого сприйняття. У вакуумі світло рухається зі швидкістю 299 792 458 метрів за секунду; це точне значення, закріплене у визначенні метра. BIPM: метр і швидкість світла.

Космічні відстані роблять затримку помітною. Світло, відбите Місяцем, долає шлях до Землі приблизно за 1,3 секунди, тож ми бачимо трохи давніший стан Місяця. Це час останнього відрізка Місяць–Земля, а не всього шляху світла від його початкового джерела. NASA: місячний приклад.

Ту саму думку можна уявити як пряму трансляцію із затримкою сигналу. Подія вже відбулася, але повідомлення про неї ще летить. Аналогія пояснює перенесення інформації; космічному світлу не потрібні камера, запис або передавальна вежа.

Відгалуження · Простий розрахунокНеобов’язково · можна пропустити

Звідки беруться вісім хвилин для сонячної відстані

Для прямого шляху завдовжки $d$ у вакуумі, у наближенні нерухомих джерела й приймача та без істотних ефектів гравітації чи розширення:

t\approx\frac{d}{c}.

Тут $t$ — час поширення, $c$ — швидкість світла. Візьмемо шлях 1 астрономічна одиниця, тобто рівно 149 597 870 700 м. Це одиниця довжини, близька до середньої відстані Земля–Сонце, а не точна поточна відстань між поверхнями цих тіл. JPL: визначення астрономічної одиниці.

Ділення на $299\,792\,458$ м/с дає приблизно 499 секунд, або 8 хвилин 19 секунд. Метри діляться на метри за секунду — залишаються секунди. Це час подолання вибраного шляху, а не час перенесення енергії з надр Сонця до його поверхні. Зміна довжини шляху вдвічі змінює час удвічі лише в цій моделі.

Дата знімка не є датою того, що на ньому

Світловий рік — відстань, яку світло долає за рік, а не одиниця віку. У простій нерухомій моделі джерело за десять світлових років ми бачимо із затримкою десять років. Це не означає, що самому джерелу десять років.

Для близької галактики Андромеди округлена відстань близько 2,5 мільйона світлових років відповідає погляду приблизно на 2,5 мільйона років у минуле; для такого пояснення космологічне розширення не є істотною поправкою. Галактика весь цей час могла змінюватися, але новіше світло ще не дійшло. NASA: від найближчих зір до Андромеди.

Тривалість від випромінювання до отримання називають часом погляду в минуле, або lookback time. Питання «якою ми бачимо галактику?» стосується моменту випромінювання; «яка вона зараз?» потребує окремого висновку про подальшу еволюцію. Сам сьогоднішній знімок не дає прямого доступу до її сучасного стану.

На великих масштабах відстань змінюється, поки світло летить

Для далеких космологічних галактик картина складніша за нерухому лінійку. Всесвіт розширюється: відстані між об’єктами, що слідують загальному розширенню, змінюються з космічним часом. За мільярди років між випромінюванням та отриманням масштаб простору може істотно зрости.

Тому треба розрізняти час подорожі світла та відстань до галактики на сучасному зрізі космічного часу. Множення часу подорожі на швидкість світла дає довжину, яку називають світловою відстанню за часом подорожі; вона загалом не дорівнює сучасній відстані. Це не ознака, що світло локально перевищило свою швидкість. Порівнюються різні фізичні величини в просторі, який змінюється. Hogg: різні космологічні відстані, розділи 1, 4 та 10.

У наведеному нижче навчальному космологічному прикладі час становить приблизно 7,7 мільярда років, а сучасна відстань — приблизно 10,8 мільярда світлових років. Це розрахунок для явно заданої моделі й уявного джерела з космологічним червоним зміщенням $z=1$ , а не вимір конкретної галактики чи нове найточніше визначення параметрів Всесвіту.

Один модельний сигнал — три різні величини

Навчальний приклад: космологічне z=1, плоска модель, H₀=70 км/(с·Мпк), Ωm=0,3, ΩΛ=0,7; випромінювання та локальні рухи не враховано. Значення обчислені й округлені, не вимір конкретної галактики.

Час погляду в минуле: 7,7мільярда років
Скільки космічного часу минуло між випромінюванням і отриманням.
Час, помножений на швидкість світла: 7,7мільярда світлових років
Довжина c × час подорожі. Це не відстань до галактики «сьогодні».
Відстань на сучасному зрізі часу: 10,8мільярда світлових років
Сучасна власна відстань до об’єкта, що слідує розширенню, у вибраній моделі.

Рівні панелі не є масштабними відрізками чи кадрами руху. Порівнюйте визначення та одиниці: одна величина — час, дві — довжини. Збіг чисел 7,7 у різних одиницях не робить сучасну відстань рівною часу подорожі × c.

Два однакові числа «7,7» у схемі мають різні одиниці: роки позначають час, світлові роки — довжину. А «10,8» відповідає іншому визначенню відстані. Тому фразу «за 10,8 мільярда світлових років» не можна автоматично переписати як «світло летіло 10,8 мільярда років».

Відгалуження · Космологічний розрахунокНеобов’язково · можна пропустити

Чому час і сучасна відстань дають різні числа

Візьмемо просторово плоску однорідну модель із речовиною та космологічною сталою: $H_0=70$ км/(с·Мпк), $\Omega_m=0{,}3$ , $\Omega_\Lambda=0{,}7$ . $H_0$ задає нинішній темп розширення, Мпк означає мегапарсек, а дві $\Omega$ — безрозмірні частки густини речовини й космологічної сталої відносно критичної густини сьогодні. Нехтуємо випромінюванням, локальними рухами галактики та неоднорідностями. При $z=1$ це доречний спрощений приклад, але не модель найраніших секунд Всесвіту.

Функція $E(u)=\sqrt{0{,}3(1+u)^3+0{,}7}$ описує зміну темпу розширення: $H(u)=H_0E(u)$ . Тут $u$ — змінна червоного зміщення в обчисленні, а кінцева межа $z=1$ . За цими припущеннями:

t_L=\frac{1}{H_0}\int_0^z\frac{du}{(1+u)E(u)}.

Для сучасної власної відстані в цій моделі, що збігається із супутньою відстанню при нинішньому масштабному множнику 1:

D_0=\frac{c}{H_0}\int_0^z\frac{du}{E(u)}.

Знак інтеграла означає складання малих внесків уздовж космічної історії. У першому виразі є додатковий множник $1+u$ в знаменнику: обчислюється саме час, а не сучасний просторовий інтервал. $1/H_0$ має одиниці часу, $c/H_0$ — довжини; інтеграли безрозмірні. Чисельне обчислення дає 7,715 мільярда років і 10,776 мільярда світлових років, округлені на схемі. Hogg: рівняння 14, 15 та 30.

Наведені припущення не означають загального правила «поділити сучасну відстань на $c$ »: навпаки, приклад показує, чому для великих червоних зміщень таке правило дає неправильний час.

Світло дозволяє відновлювати епоху, але не перемотувати одну галактику

Для далеких систем астрономи вимірюють червоне зміщення: впізнавані спектральні ознаки приходять на інших, зазвичай довших, хвилях. У космологічній моделі розтягнення світлових хвиль пов’язане зі зміною масштабу Всесвіту. Разом із моделлю розширення це дозволяє визначати час випромінювання. Саме $z=1$ у нашому прикладі означає подвоєння довжини хвилі через розширення, а не «вік один» чи «один мільярд років». Hogg: червоне зміщення й масштабний множник, розділ 3.

Порівнюючи популяції галактик у різні епохи, дослідники вивчають їхню еволюцію. Це не відео, де ту саму далеку галактику довільно показують у будь-якому віці. Ми бачимо світло, яке приходить зараз, а висновки про зміни перевіряємо за багатьма об’єктами й моделями.

Перевірте твердження: «галактика зараз за 10,8 мільярда світлових років, отже знімок показує її рівно 10,8 мільярда років тому». У нашому прикладі воно хибне: час становить близько 7,7 мільярда років. Спершу треба з’ясувати, яке визначення відстані використано.

Ми дивимося в минуле щоразу, коли приймаємо світло з віддаленого джерела. Космічні масштаби лише роблять затримку величезною. Щоб правильно читати астрономічний знімок, відділяйте дату отримання, епоху випромінювання та визначення відстані; для самих одиниць можна повернутися до світлових років і парсеків.