Время Хаббла и возраст Вселенной

Расширяющаяся Вселенная. Идея расширения Вселенной часто описывается с использованием аналогии с надувающимся воздушным шаром. Начинающему студенту-физику заманчиво представить себе расширение как галактики, удаляющиеся друг от друга через некую «среду», однако на самом деле расширяется само пространство-время . Если мы приклеим несколько кусочков конфетти (представляющих галактики) к воздушному шару (представляющему Вселенную), а затем взорвем его, то конфетти отдалятся друг от друга, потому что пространство между ними на воздушном шаре расширяется , а не потому, что они движутся по кругу. поверхность баллона.

Сами кусочки конфетти не расширяются, потому что концентрированные распределения материи, такие как галактики, гравитационно «закрепляют» пространство-время, чтобы преодолеть скорость расширения внутри них.

Измерение расширения: Чтобы измерить расширение Вселенной, нам нужна какая-то информация из Вселенной. Для нас это не проблема, потому что Вселенной около 13,8 миллиардов лет, поэтому мы можем получать свет от галактик, находящихся на расстоянии до 13,8 миллиардов световых лет . Это дает нам доступ ко множеству галактик (ближайшая к нам галактика Андромеда находится всего в 2,5 миллионах световых лет от нас). Если бы люди каким-то образом эволюционировали намного раньше в истории Вселенной, то у нас действительно не было бы достаточно большого набора данных, чтобы получить точное значение скорости расширения или возраста Вселенной. Но, к счастью, мы живем в эпоху, когда наблюдаемая Вселенная намного больше, и, кроме того, наши методы измерения переменных цефеиди сверхновые типа IA становятся все более и более точными. Следовательно, мы можем измерить постоянную Хаббла с точностью до 5%, что дает значение

сегодня. Затем это используется, как в вашем учебнике, для приблизительного расчета возраста Вселенной.

Разбегание со скоростью, превышающей скорость света: любая галактика, удаляющаяся от нас со скоростью, превышающей скорость света из-за расширения Вселенной, никогда не будет видима для нас, если только расширение Вселенной не замедлится просто потому, что фотоны, которые она посылает никогда не дойдет до нас . Для заданной скорости расширения это определяет объем Хаббла вокруг Земли, из которого мы можем получать информацию: вне этого мы не можем наблюдать Вселенную. Поэтому любые галактики, удаляющиеся от нас быстрее скорости света, не имеют значения: мы даже не можем знать, существуют они или нет.

Я надеюсь, что это отвечает на ваши вопросы! Удачи с ИБ.

До Эйнштейна мы считали, что бесконечно малые длины возводятся в квадрат.$ds^2=dx^2+dy^2+dz^2$в пространстве не изменится, если вы переключитесь на другую систему координат, например, повернув оси координат или переместив начало координат. Относительное движение действительно меняет пространственные длины, но сохраняет другую величину. В специальной теории относительности это$ds^2=-c^2dt^2+dx^2+dy^2+dz^2$, или в сферических полярных координатах$ds^2=-c^2dt^2+dr^2+r^2 d\theta^2+r^2\sin^2\theta d\phi^2$. Требуется еще более сложная общая теория относительности, чтобы понять, что на самом деле означает пространственное расширение. В масштабах, достаточно больших, чтобы можно было пренебречь гравитацией, лучшим выражением было бы

Параметр Хаббла$H=\frac{\dot{a}}{a}$также в целом зависит от времени, но допустим, что его текущее значение равно$H_0$, и принять масштаб, по которому сегодня$a=1$. Если возраст Вселенной$T$,$a$постепенно увеличилась с$0$к$1$. Таким образом$T=\int_0^T dt=\int_0^1 \frac{da}{\dot{a}}=\int_0^1 \frac{da}{aH}$. Поскольку относительные скорости удаления галактик пропорциональны$\dot{a}$, то, что делает ваша ссылка imgur, - это аппроксимировать эту величину как постоянную на протяжении истории вселенной. Тогда наша окончательная формула для$T$это площадь ширины-$1$, высота-$H_0^{-1}$прямоугольник. Чтобы получить более точное значение, вам нужно взять временную зависимость$a$во внимание, но вы все равно получите ответ, который приблизительно$H_0^{-1}$.

(Что бы это ни стоило, если бы мы вместо этого сказали текущее значение$a$является$A$у нас было бы$T=\int_0^A\frac{da}{aH}\approx A\times\frac{1}{AH_0}=H_0^{-1}$.)