Существуют ли другие доказательства расширения Вселенной помимо красного смещения?

Да, есть прямое свидетельство расширения без красного смещения.

Прошлая температура космического микроволнового фонового излучения (CMBR) была непосредственно измерена и оказалась значительно выше, чем сегодня. Его снижение температуры с течением времени является прямым свидетельством расширения. Вот подробности:

Согласно этой статье , реликтовое излучение в прошлом было значительно горячее ( менее технический обзор здесь ). Исследователи наблюдали линии поглощения в газовом облаке, расположенном в далекой галактике, и обнаружили, что наблюдаемый рисунок линий можно объяснить только в том случае, если температура реликтового излучения во время поглощения находилась в диапазоне от 6 до 14 К (сейчас она составляет 3 К). Эта температура согласуется с ожидаемой температурой красного смещения этой галактики (9 К). Обратите внимание, что температура измерялась по определенному рисунку видимых линий, а не по тому, насколько линии были смещены в красную сторону; это измерение дало бы ту же самую температуру, даже если бы не было красного смещения. Поскольку более высокая температура подразумевает более высокую плотность, это охлаждение реликтового излучения с течением времени является прямым свидетельством расширения Вселенной.

Дополнительные комментарии

• Какая связь между линиями красного смещения и поглощения?

  Навеяно разговором с uhoh в комментариях:

  В своем ответе я имею в виду «шаблон» «линий поглощения». Для не разбирающихся в теме поясню.

  Когда свет проходит через облако газа, определенные частоты света поглощаются. Когда этот свет проходит через призму, заблокированные частоты будут отображаться в виде черных линий в спектре (см. иллюстрацию ниже). Точные линии, которые появляются, и их положения в спектре («картина» «линий поглощения») зависят от элементов, присутствующих в газе и газовой среде. Эффект наиболее отчетливо виден при свете, испускающем фотоны на всех частотах; этот вид света известен как излучение черного тела . Хотя излучатель черного тела излучает свет на всех частотах, излучатель черного тела будет излучать больше всего света на определенной длине волны; расположение этого пика называется температурой черного тела. Реликтовое излучение, обсуждаемое в вопросе, является примером излучения черного тела.

  
  ^{Источник: Doppler Shift , Эдвард Л. Райт
  (отличный сайт, кстати, FAQ стоит поискать для получения дополнительной информации о красных смещениях и космологии в целом)}

  Когда свет проходит через (расширяющееся) пространство, его длина волны и длины волн линий поглощения растягиваются с фиксированной скоростью для всех частот. Предположим, что в момент излучения/поглощения в спектре присутствуют линии с длинами волн 1, 3 и 5 нм ¹ . После того, как фотоны пройдут определенное время, все длины волн в спектре удвоятся ² . Линия, которая раньше была на 1 нм, теперь видна на 2 нм, линия, которая раньше была на 3 нм, теперь видна на 6 нм, а линия, первоначально составлявшая 5 нм, теперь видна на 10 нм. Хотя их абсолютные частоты меняются со временем, отношение длин волн (и частот) линий относительно друг друга остается постоянным.

  Точная величина, на которую сдвинут спектр данного объекта, напрямую коррелирует с расстоянием до него. Как видно на диаграмме выше, близкие объекты (например, Солнце) не показывают красного смещения. По мере того, как человек смотрит на объекты все дальше и дальше, он видит увеличивающееся красное смещение ³ .

  В обсуждении в ответе выше именно на этот образец относительного положения линий влияет температура реликтового излучения во время поглощения, а не на степень смещения линий.

  ^{1 Технически говоря, эта точка$z=0$где$z$указывает величину сдвига, положительную для красных смещений (удаление) и отрицательную для синих смещений (приближение). Более подробное обсуждение этой темы (включая точное определение$z$) можно найти здесь .
  2 Точка удвоения длины волны (уменьшения частоты вдвое) находится в$z=1$
  3 Следует отметить, что, поскольку существует некоторая неопределенность в отношении скорости расширения Вселенной, красные смещения не относятся к точно известным расстояниям. Таким образом, астрономы и космологи редко указывают расстояния до удаленных объектов в абсолютных единицах, скажем, в световых годах или парсеках , предпочитая, скорее, использовать величину наблюдаемого красного смещения (величину наблюдаемого красного смещения).$z$упомянутое выше).}

  Механизм красного смещения заключается не в том, что меняются сами фотоны, а в том, что само пространство, через которое проходят электромагнитные волны, расширяется. (Фотоны — это и частицы, и волны; нет, это не совсем интуитивно понятно.) Это постоянное растяжение пространства увеличивает длину волны света, вызывая как эффект красного смещения, так и увеличение красного смещения данного фотона с течением времени.

  
  Дуглас Хофштадтер, CC A-SA 3.0
   

• Как красное смещение связано с реликтовым излучением?

  В комментариях Алхимиста спросил: «Разве реликтовое излучение в любом случае не является квинтэссенцией красного смещения?»
  (Я предполагаю, что вы используете общепринятое, а не космологическое значение слова «квинтэссенция»)

  Да, нынешняя температура реликтового излучения (3 K), по общему мнению, является результатом фотонов относительно высокой энергии (3000 K), испущенных примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, длина волны которых со временем растянулась из-за расширения Вселенной в сторону красный (т.е. более холодный или низкоэнергетический) конец спектра. Это расширение было предсказано Хабблом и др. из наблюдения, что меньшие и более тусклые галактики (если смотреть с Земли) имеют больший сдвиг в своих спектрах. Чем больше видимое расстояние, тем больше наблюдаемый сдвиг. Используя это видимое красное смещение, коррелированное с расстоянием, мы можем сделать выводчто Вселенная была меньше в прошлом и, следовательно, плотнее с более высокой температурой для реликтового излучения. Основываясь на наблюдаемых красных смещениях далеких галактик, мы можем сделать вывод, но не измерить напрямую, какой была температура реликтового излучения на каждом расстоянии.

  Что сделали авторы вышеупомянутой статьи, так это провели прямое измерение температуры реликтового излучения в определенное время в прошлом. Измеренная температура выше, чем сегодня, что подразумевает более плотную и, следовательно, меньшую Вселенную. Исследователи также обнаружили, что непосредственно измеренная температура точно соответствует температуре, полученной на основе наблюдаемого красного смещения изучаемой галактики.

  В двух словах цепочка умозаключений меняется местами:

  • Для рассуждений, основанных на красном смещении:
    Увеличение красного смещения с видимым расстоянием (непосредственно измеренное) ⇒ Расширение ⇒ Более плотная Вселенная в прошлом ⇒ Более высокая температура реликтового излучения в прошлом.
  • Для прямого измерения температуры в прошлом (как в этой статье):
    более высокая температура реликтового излучения в прошлом (прямое измерение) ⇒ более плотная Вселенная в прошлом ⇒ расширение ⇒ наблюдаемое красное смещение.
     

  Эти две цепочки умозаключений, основанные на разных наборах данных, четко дополняют и поддерживают друг друга.

  Следует отметить, что реликтовое излучение не было создано расширением (по крайней мере, не напрямую), а расширение объясняет его текущую температуру и однородность. Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная была очень плотной; такой плотной и горячей, что вся материя представляла собой плазму субатомных частиц, непрозрачную для фотонов. Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла (за счет расширения) настолько, что протоны и электроны могли объединиться, чтобы сформировать нейтральный газообразный водород (который прозрачен). Реликтовое излучение — это свет, высвободившийся в это время и с тех пор охлаждающийся.

Но возможно ли, что красное смещение вызвано какими-то неизвестными явлениями, а не галактиками, удаляющимися друг от друга?

В истории было предложено несколько альтернативных теорий, таких как гипотеза усталого света , стационарное состояние Вселенной и т. д. Но наблюдения исключили эти и другие теории .

См. Также Альтернативная космология.

Других разумно прямых методов не существует, но определенно есть косвенные методы. Во-первых, в ответе @Alex Hajnal более высокие температуры CMB, измеренные дальше, являются очень хорошей косвенной мерой.

Еще одно косвенное свидетельство, которое еще никто не заметил, заключается в том, что по мере того, как мы смотрим все дальше и дальше, Вселенная выглядит все моложе и моложе и все меньше и меньше похожа на то, что мы видим вокруг себя. Вы в значительной степени вынуждены объяснять это с научной точки зрения, говоря, что Вселенная имела начало примерно 10 миллиардов лет назад, и что звезды и галактики только тогда начали формироваться. (Это не конкретное доказательство Большого Взрыва, но оно устраняет большинство альтернатив ему. Например, модель стационарного состояния фальсифицирована.) Очень-очень трудно объяснить то, что мы видим, за исключением того, что это происходит из-за расширения Вселенной. из горячего плотного состояния ок. 10 ¹⁰ лет назад.

Более косвенные доказательства исходят из общей теории относительности, теории пространства, времени и гравитации, которая очень хорошо проверена — она проверена уже столетие и оспаривается бесчисленным множеством других теорий, и только ОТО прошла все экспериментальные проверки. ОТО надежно предсказывает, что статическая Вселенная невозможна и что она должна либо расширяться, либо сжиматься. Это косвенное свидетельство в основном местных экспериментов.

Еще более косвенные доказательства исходят из расчетов нуклеосинтеза, которые показывают, что отношения H/He/Li, которые мы наблюдаем в самых старых и наименее эволюционировавших звездах, точно такие же, как мы предсказываем, основываясь на применении измеренных свойств ядер к огненному шару Большого Бана.

Помимо красных смещений существует так много научных данных, которые указывают на то, что Вселенная расширяется из начального очень горячего и плотного состояния, что даже без наблюдения красных смещений мы в конечном итоге были бы вынуждены сделать такой вывод .

В дополнение к косвенным доказательствам, предоставленным другими ответами, убедительным подтверждением того, что галактики удаляются друг от друга, является тот факт, что мы видим, что физические процессы, такие как время спада яркости сверхновых, увеличиваются по мере удаления . является. Для источника с красным смещением$z$, величина этого замедления времени составляет$(1+z)$, точно в соответствии с тем, что ожидается от общей теории относительности в расширяющейся Вселенной.

То есть сверхновая, наблюдаемая с красным смещением$1$уходит в два раза больше времени, чем местная сверхновая.

Однако обратите внимание, что это не подтверждение расширяющейся Вселенной, а только того, что галактики удаляются друг от друга. Если бы Вселенная была статична, а галактики двигались в пространстве, вы бы наблюдали процессы, растянутые на тот же коэффициент, как и предсказывает специальная теория относительности. Однако есть и другие свидетельства того, что галактики не движутся в статичном пространстве, а вместо этого лежат более или менее неподвижно в расширяющемся пространстве.

Да:

1. Распределение данных о сверхновой 1a
2. WMAP измерения реликтового излучения
3. Обзор галактического неба Слоана (каталог галактик)

Важно то, что эти результаты не только говорят об одном и том же, но и соответствуют друг другу .

Хорошо, этот ответ включает в себя красное смещение, но выслушайте меня.

Согласно общей теории относительности, красные смещения могут создаваться несколькими механизмами: расширением пространства, перемещением объектов относительно наблюдателя (т.е. нас) и выходом света из гравитационного колодца. Последний вариант выходит за рамки данного вопроса, а первый исключается из рассмотрения по просьбе спрашивающего. Это оставляет только второй вариант (относительное движение, также известное как релятивистский эффект Доплера) на рассмотрении; это смещение может быть (и было) проверено здесь, на Земле, и было показано, что оно существует.

Красное смещение наблюдается у всех внешне удаленных объектов (тусклых, малометалличных и т. д.). По красному смещению спектров любого данного объекта мы можем определить, насколько быстро он удаляется от нас. Например, объект с измеренным красным смещением$z=0.5$удаляется от нас примерно со скоростью, равной половине скорости света. Все идет нормально. Проблема возникает, когда мы наблюдаем объекты с$z>1$. Было найдено много таких объектов; Текущий рекордсмен — GN-z11 с красным смещением$z=11.09$. Иными словами, если бы имело место только релятивистское смещение, этот объект удалялся бы от нас со скоростью, более чем в 11 раз превышающей скорость света.

Учитывая, что ни один объект, имеющий массу, не может достичь скорости света, ясно, что наблюдаемые красные смещения не могут быть вызваны релятивистским движением. Поскольку нет никаких известных механизмов, помимо трех перечисленных выше, которые могут вызывать красные смещения в спектрах (сравните поглощение ), единственным объяснением, соответствующим этим наблюдениям, является расширение пространства. Короче говоря, тот факт, что сверхсветовые красные смещения вообще наблюдаются, свидетельствует о том, что пространство расширяется.