Astronomie

Bedeutet die beschleunigte Ausdehnung der Raumzeit, dass sich das Tempo der Zeit ändert?

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Überall dehnt sich der Raum aus, auch hier. Und die Zeit ist untrennbar mit dem Raum verbunden. Bedeutet dies, dass auch die Zeit „ausdehnt“, indem sie ihr Tempo ändert? Ist die Änderungsrate der Zeit auch astronomisch beobachtbar? Wie verhielt sich die Zeit während der radikalen Inflation kurz nach dem Urknall?


Um von „der Zeitgeschwindigkeit“ zu sprechen, benötigen wir im Wesentlichen mindestens zwei verschiedene Zeitkoordinaten. Dies geschieht beispielsweise bei der spezialrelativistischen Zeitdilatation, die über zwei verschiedene Inertialsysteme $mathrm{d}t'/mathrm{d}t$ entspricht. Glücklicherweise können wir hier etwas Ähnliches tun.

Überall dehnt sich der Raum aus, auch hier. Und die Zeit ist untrennbar mit dem Raum verbunden. Bedeutet dies, dass sich auch die Zeit "ausdehnt", indem sie ihr Tempo ändert? … In ähnlicher Weise wie die Ausdehnung des Raums relativ zu sich selbst, nehme ich an.

Ein räumlich isotropes und homogenes Universum hat die Metrik in der Form $$mathrm{d}s^2 = -mathrm{d}t^2 + a^2(t)mathrm{d}Sigma^2 ext {,}$$ wobei $a(t)$ der Skalierungsfaktor und $mathrm{d}Sigma^2$ die Metrik einer isotropen und homogenen Riemannschen Mannigfaltigkeit ist: die 'offene' hyperbolische $3$-Ebene, die flacher euklidischer $3$-Raum oder die 'geschlossene' $3$-Kugel (oder echter projektiver $3$-Raum, aber das wird normalerweise nicht berücksichtigt, weil es nicht orientierbar ist). Wenn der Skalierungsfaktor in der Vergangenheit jemals Null ist, wird die kosmologische Zeit dafür konventionell mit $t = 0$ gewählt.

Die kosmologische Zeit misst die Eigenzeit eines ruhenden Beobachters relativ zum Großteil der Materie im Universum, also ist sie in gewisser Weise die intuitivste Wahl einer Zeitkoordinate, aber wie alle Koordinaten ist sie nicht heilig. Wir können zum Beispiel a . definieren konforme Zeit Koordinate $eta$ mit $mathrm{d}eta = mathrm{d}t/a$, wobei die Metrik die Form $$mathrm{d}s^2 = a^2(eta )left[-mathrm{d}eta^2 + mathrm{d}Sigma^2 ight] ext{,}$$ und so werden alle Dimensionen der Raumzeit von der kosmischen Expansion im selben beeinflusst Weg. Daher denke ich, dass die konforme Zeit die Anforderungen in Ihrer Frage erfüllt, obwohl sie nicht von einer lokalen Uhr gemessen wird.

Ist die Änderungsrate der Zeit auch astronomisch beobachtbar?

Der Skalierungsfaktor ist astronomisch beobachtbar und $mathrm{d}eta/mathrm{d}t = 1/a$, also ja.

Wie verhielt sich die Zeit während der radikalen Inflation kurz nach dem Urknall?

Die konforme Zeit verwendet im Wesentlichen den Teilchenhorizont als Zeitmaß, d. h. die weiteste Entfernung, die ein ideales lichtähnliches Signal seit $t = 0$ hätte zurücklegen können, um den Beobachter bis zum heutigen Zeitpunkt zu erreichen. Während der Inflation weitete sich der Partikelhorizont schnell aus.


Universum, das sich symmetrisch ausdehnt, Echtzeit-Analyse zeigt

Das Universum dehnt sich aus – und zwar mit der gleichen Geschwindigkeit in alle Richtungen, laut neuen Messungen, die das Standardmodell der Kosmologie zu bestätigen scheinen.

Zu diesem Schluss kam der Astrophysiker Jeremy Darling von der University of Colorado Boulder, nachdem er eine Forschungsstrategie namens "Echtzeit-Kosmologie" einsetzte, die die winzigen Veränderungen im Universum sucht, die über menschliche Zeitskalen hinweg auftreten.

Die Idee der "Echtzeit-Kosmologie" wurde 1962 von Alan Sandage und 1998 vom Harvard-Astrophysiker Avi Loebin in zwei getrennten Arbeiten vorgeschlagen. Die Möglichkeit, die Rotverschiebungen von Quellen in Echtzeit ändern zu sehen, wird daher "Sandage-Loeb-Test" genannt . [Das Universum: Urknall bis jetzt in 10 einfachen Schritten]

„Echtzeit-Kosmologie bietet neue Möglichkeiten, das Universum zu beobachten, einschließlich einiger Beobachtungen und kosmologischer Tests, die auf keine andere Weise durchgeführt werden können“, sagte Darling per E-Mail gegenüber Space.com.

Forscher entdeckten 1998, dass sich das Universum mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt – ein überraschendes Phänomen, von dem angenommen wird, dass es auf eine mysteriöse Kraft namens Dunkle Energie zurückzuführen ist. Wissenschaftler wissen nicht viel über dunkle Energie, außer dass sie eine Eigenschaft des Vakuums sein könnte. Um die Dunkle Energie zu verstehen, führen Forscher eine Vielzahl kosmologischer Tests durch und bauen neue Teleskope und Instrumente.

„Diese Arbeit fragt, ob die Expansion heute – die von dunkler Energie dominiert wird – in alle Richtungen gleich ist“, sagte Darling.

Für die Messungen verwendete Darling Daten, die zuvor von anderen Forschern über die Bewegung extragalaktischer Objekte am Himmel gesammelt wurden.

Aus den Daten konnte er schließen, dass die kosmische Ausdehnung tatsächlich isotrop ist – also in alle Richtungen gleich ist – mit einer Fehlerquote von 7 Prozent.

"Die Einschränkungen werden sich mit den kommenden Daten der Gaia-Mission verbessern", sagte Loeb, der nicht an der Studie beteiligt war.

Die im vergangenen Dezember gestartete Sonde Gaia der Europäischen Weltraumorganisation soll eine dreidimensionale Karte der Milchstraße der Erde erstellen, die die Bewegungen von etwa 1 Milliarde Objekten kartiert. Diese Arbeit sollte die Stichprobengröße, die Darling und anderen Forschern derzeit zur Verfügung steht, dramatisch erweitern.

'Eingefrorenes' Universum

Traditionell behandeln die meisten kosmologischen Beobachtungen das Universum als in der Zeit eingefroren: mit einem festen Alter, festen Abständen und festen Eigenschaften. Um die Geschichte des Universums zu sehen, müssen Wissenschaftler also ähnliche Objekte aus unterschiedlichen Entfernungen betrachten.

Da die Lichtgeschwindigkeit endlich ist, sehen Beobachter weiter entfernte Objekte, wie sie zu früheren kosmologischen Zeiten existierten. Die traditionelle Strategie besteht daher darin, eine statistische Stichprobe kosmologischer "Sonden" im Zeitverlauf zu entwickeln, um zu untersuchen, wie sich alles im Universum verändert und entwickelt.

Es gibt jedoch eine Ausnahme von diesem statistischen Ansatz: Der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB), das sogenannte "erste Licht", das vom Urknall übrig geblieben ist, der das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren schuf.

"Es entsteht aus einer einzigen Zeit, die in diesem Moment eine ziemlich vollständige Momentaufnahme des Universums zeigt", sagte Darling. "Aber der CMB wird auch als statisch behandelt." [Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund: Urknall-Relikt erklärt (Infografik)]

Die Echtzeit-Kosmologie geht jedoch einen anderen Weg und beruht auf der Idee, dass "jetzt" eine sich ändernde Zeit ist.

"Wenn wir lange genug lebten, würden wir sehen, wie sich Objekte von uns entfernen, mit der Entfernung kleiner und schwächer werden und sich beschleunigen", sagte Darling. „Wir würden sehen, wie die CMB aufwühlt, während neue Teile der letzten Streufläche – der Lichthorizont – zurückweichen. Wir würden die Schwerkraft am Werk sehen, die große Strukturen von Galaxien und Galaxienhaufen zum Kollaps und zur Ausdehnung von Hohlräumen verursacht.

"Grundsätzlich sollte sich jede beobachtbare Eigenschaft in Echtzeit ändern, wenn wir sehr lange beobachten oder Dinge (Positionen, Geschwindigkeiten) extrem genau messen könnten."

Kosmologische Echtzeitmessungen sind „rohe“ Beobachtungen, die nicht auf Modellen oder statistischen Stichproben beruhen.

„Ich könnte mir meine Lieblingsgalaxie aussuchen und zusehen, wie sie sich beschleunigt, schrumpft und abschwächt, während sie sich zurückzieht und den dynamischen Aspekt des Universums direkt enthüllt“, sagte Darling.

Und, fügte er hinzu, die Echtzeit-Kosmologie könnte dabei helfen, Antworten auf die grundlegendsten, aber wichtigsten Fragen über den Kosmos zu finden, etwa ob sich das Universum dreht oder nicht, die Natur der dunklen Energie und die Massen großräumiger Strukturen im Universum .

Beobachtungsbestätigungen

Während zukünftige Instrumente der Echtzeit-Kosmologie einen großen Schub geben sollten, ist es mit dieser Strategie bereits möglich, große Entdeckungen zu machen, sagte Darling.

„Präzisionsastrometrie – die Messung der Position von Objekten am Himmel – kann jetzt sowohl bei Radiowellenlängen, mit sehr langer Basislinien-Interferometrie, insbesondere dem Very Long Baseline Array, als auch bei optischen Wellenlängen – der Gaia-Mission – durchgeführt werden“, sagte er. "Die Beschleunigung kann direkt mit optischen 30-Meter-Teleskopen [98 Fuß] und mit dem zukünftigen Radio Square Kilometre Array [in Australien und Südafrika] gemessen werden." [Die 10 größten Teleskope der Erde: Wie sie sich messen]

Und er fügte hinzu, dass die Daten des Internationalen Himmelsreferenzrahmens bereits eine frühe Möglichkeit bieten, die Modelle und Theorien der Echtzeit-Kosmologie zu testen. Das ICRF ist der Rahmen, den Forscher verwenden, um ihre Messungen zu kalibrieren, wo sich Objekte am Himmel befinden.

"Es wird verwendet, um die Rotation der Erde und ihre Wobbles und Glitches zu überwachen", sagte Darling. "Ein Netzwerk von strahlungshellen Quasaren wird regelmäßig mit sehr langer Basislinieninterferometrie überwacht, und das seit Jahrzehnten. Die Messungen der Positionen dieser Quasare sind so präzise, ​​dass sie für alle möglichen Hilfswissenschaften verwendet werden können."

Es gibt jedoch bestimmte Einschränkungen – wie die Präzision bei der Rotverschiebung und Astrometrie und die systematischen Fehler, die mit einer genauen Messung verbunden sind.

"Es wird erwartet, dass die Beschleunigungen weniger als 1 Zentimeter pro Sekunde und Jahr betragen, und die Astrometrie muss etwa 1 Mikrobogensekunde pro Jahr betragen", sagte Darling. "Der nächste Schritt besteht darin, die Grenze der aktuellen VLBI [Very-Long-Baseline-Interferometrie] zu erreichen und dann mit der Verwendung von Gaia zu beginnen, was wahrscheinlich in drei bis fünf Jahren der Fall sein wird."

Loeb nennt das Werk "originell und interessant". Er sagt jedoch, "im breiteren Kontext kosmologischer Daten kann man den kosmischen Mikrowellenhintergrund verwenden, um zu dem Schluss zu kommen, dass die Expansion auf mehr als 0,001 Prozent isotrop ist, sonst würden wir Temperaturschwankungen am Himmel sehen, die größer sind als beobachtet. "

Darling räumt ein, dass dies wahr ist, argumentiert jedoch, dass die beobachtete CMB-Temperatur nur von der Gesamtausdehnung abhängt, die zwischen der Emission des Lichts und der Beobachtung aufgetreten ist.

"Es kann nicht verwendet werden, um die Expansionsrate heute (oder zu einem anderen Zeitpunkt) zu messen", sagte Darling. „Es kann uns jedoch etwas über die gesamte, in die Geschichte integrierte Anisotropie sagen (dh ist das Universum seit seinem Alter von 300.000 Jahren in einer Dimension stärker gewachsen als in einer anderen, wodurch ein Teil des Himmels kälter/röter erscheint als der andere). "

Am wichtigsten, sagte Darling, ermöglicht die Echtzeit-Kosmologie den Forschern, "neue Messungen des Universums durchzuführen, um unser theoretisches Verständnis zu testen. Auf diese Weise werden neue Entdeckungen gemacht. Es ist gut zu sehen, dass das Universum, wie es heute beobachtet wird, sich selbst verhält und die aktuellen kosmologischen Paradigma und verursacht keinen Konflikt mit der CMB."

Seine Forschung wurde in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society zur Veröffentlichung angenommen.


Warum Zeit relativ ist, erklärt in weniger als 3 Minuten

Eines der revolutionärsten Konzepte, die wir im 20. Jahrhundert gelernt haben, ist, dass Zeit kein universelles Maß ist.

Es spielt keine Rolle, wie sehr unser Leben von denselben Sekunden, Minuten, Stunden, Tagen und Wochen bestimmt wird, unabhängig davon, wo wir auf der Welt leben, die Zeit wird niemals absolut sein. Die Geschwindigkeit, mit der es passiert, hängt vollständig von Ihrer Geschwindigkeit und Beschleunigung zu einem bestimmten Zeitpunkt ab.

Aber wie genau kann die Zeit gleichzeitig langsamer und schneller sein?

Wie die neueste Episode von MinutePhysics erklärt, verlangsamt sich die Geschwindigkeit, mit der die Zeit vergeht, je mehr Sie sich bewegen.

Und ich spreche nicht von Ihrer Wahrnehmung der Zeit, die sich aufgrund der Überfülle von Technologie in unserem Leben tatsächlich beschleunigt. Ich spreche von der Geschwindigkeit der tatsächlichen Zeit, die in zahlreichen Experimenten gezeigt wurde, um sich zu verlangsamen, wenn Teilchen wie Myonen und Photonen schneller werden.

In Einsteins Relativitätstheorie beschreibt die Zeitdilatation einen Unterschied der verstrichenen Zeit zwischen zwei Ereignissen, gemessen von Beobachtern, die sich entweder relativ zueinander oder unterschiedlich bewegen, abhängig von ihrer Nähe zu einer Gravitationsmasse. Im Grunde besagt es, dass die Zeit umso stärker beeinflusst wird, je schneller wir fahren.

Aber wenn die Zeit so relativ ist, wie dies vermuten lässt, kann sie ein wenig widersprüchlich erscheinen.

Wie Henry von MinutePhysics hervorhebt, stellen Sie sich vor, wir beide rasen in entgegengesetzte Richtungen durch die Leere des Weltraums und dann plötzlich aneinander vorbei.

„Aus meiner Sicht scheint es, als würdest du dich bewegen, und daher sollte die Zeit für dich langsamer vergehen, aber aus deiner Perspektive scheint es, als würde ich mich bewegen, also sollte es für mich langsamer gehen“, sagt er.

Wie können wir also beide denken, dass die Zeit für die andere Person langsamer vergeht? Jemandes Zeit muss tatsächlich langsamer sein, oder?

Nun, nein, tut mir leid. Wir wünschten, es wäre so einfach.

Die Erklärung hat damit zu tun, wie Sie die Zeitrichtung selbst jedes Mal drehen, wenn Sie die Geschwindigkeit ändern. Ja, Sie drehen die Zeit jeden Tag, als wäre es nbd, also herzlichen Glückwunsch.

Schauen Sie sich das Video oben an, um den schnellsten und besten Erklärer für die Seltsamkeit der Zeitdilatation zu erhalten, und bleiben Sie bis zum Ende, um eine nette kleine Denksportaufgabe zu erhalten, die selbst die Besten von uns in Knoten binden könnte. Genießen.


Die Bindungen, die verbinden

Hoffentlich haben Sie von Einsteins berühmter Gleichung E = mc^2 gehört, die eine der tiefgreifendsten, lebensverändernden Entdeckungen aller Zeiten enthüllte. Sie kennen es vielleicht als Masse/Energie-Äquivalenz. Im Wesentlichen ist Materie gleich Energie (sie sind verschiedene Ausdrücke derselben Sache). Wenn sich etwas beschleunigt, nimmt auch seine Energie zu, da Energie gleich Masse ist (und umgekehrt). Je schwerer das Objekt ist, desto mehr Energie wird benötigt, um es zu beschleunigen. Daher würden Sie irgendwann immer mehr Energie benötigen, um das Objekt mit Lichtgeschwindigkeit weiterzubewegen.

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Der interessanteste Teil von Einsteins spezieller Relativitätstheorie sind wahrscheinlich die Auswirkungen dessen, was mit Teilchen passiert, die sich nahe oder mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Es besagt, dass die Zeit für Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, tendenziell viel langsamer vergeht als für eine Außenüberwachung, die den Fortschritt des Photons aus der Ferne überwacht. Interessanterweise ist dies ein Aspekt der speziellen Relativitätstheorie, der hier auf der Erde getestet werden kann! Unsere Satelliten im LEO (Low-Earth Orbit) müssen bei der Kalibrierung ihrer Borduhren, die mit einer Genauigkeit von einer Nanosekunde (etwa 1 Milliardstel Sekunde) ticken, die Auswirkungen der speziellen Relativitätstheorie berücksichtigen.


Beobachtungsbeweise

  • das kosmologische Prinzip, das verlangt, dass das Universum in alle Richtungen gleich aussieht ( isotrop) und ungefähr die gleiche glatte Materialmischung hat ( homogen).
  • das kopernikanische Prinzip, das verlangt, dass kein Platz im Universum bevorzugt wird (das heißt, das Universum hat keinen "Ausgangspunkt").

In unterschiedlichem Maße haben beobachtende Kosmologen Beweise gefunden, die diese Annahmen zusätzlich zu direkten Beobachtungen der Raumausdehnung unterstützen. Heute wird die metrische Ausdehnung des Weltraums von Kosmologen als beobachtetes Merkmal angesehen, da wir sie zwar nicht direkt sehen können, die von Wissenschaftlern getesteten und beobachtbaren Eigenschaften des Universums jedoch eine zwingende Bestätigung liefern. Quellen der Bestätigung sind:

  • Edwin Hubble demonstrierte, dass sich alle Galaxien und fernen astronomischen Objekte von uns entfernten ("Hubbles Gesetz") wie von einer universellen Expansion vorhergesagt. Mit der Rotverschiebung ihrer elektromagnetischen Spektren, um die Entfernung und Geschwindigkeit entfernter Objekte im Raum zu bestimmen, zeigte er, dass sich alle Objekte von uns entfernen und dass ihre Geschwindigkeit proportional zu ihrer Entfernung ist, ein Merkmal der metrischen Expansion. Weitere Studien haben seitdem gezeigt, dass die Ausdehnung extrem isotrop und homogen ist, dh sie scheint keinen speziellen Punkt als "Zentrum" zu haben, sondern erscheint universell und unabhängig von einem festen Mittelpunkt.
  • In Studien zur großräumigen Struktur des Kosmos aus Rotverschiebungsstudien wurde ein sogenanntes "Ende der Größe" auf den größten Skalen des Universums entdeckt. Bis diese Skalen vermessen wurden, erschien das Universum "klumpig" mit Klumpen von Galaxienhaufen und Superhaufen und Filamenten, die alles andere als isotrop und homogen waren. Diese Klumpigkeit verschwindet in einer glatten Verteilung von Galaxien auf den größten Skalen, ähnlich wie ein Jackson Pollock-Gemälde aus der Nähe klumpig aussieht, aber insgesamt regelmäßiger.
  • die isotrope Verteilung weit entfernter Gammablitze und Supernovae am Himmel ist eine weitere Bestätigung des kosmologischen Prinzips.
  • Das kopernikanische Prinzip wurde im kosmologischen Maßstab erst durch Messungen der Auswirkungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung auf die Dynamik entfernter astrophysikalischer Systeme wirklich getestet. Wie eine Gruppe von Astronomen der Europäischen Südsternwarte berichtet, ist die Strahlung, die das Universum durchdringt, zu früheren Zeiten nachweislich wärmer. Eine gleichmäßige Abkühlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds über Milliarden von Jahren ist nur erklärbar, wenn das Universum eine metrische Expansion erfährt.

Zusammengefasst beruht die einzige Theorie, die diese Phänomene kohärent erklärt, auf einer Raumausdehnung durch eine Änderung der Metrik. Interessanterweise konnten erst im Jahr 2000 bizarre Konstruktionen durch direkte Beobachtungsbeweise für die Temperaturänderung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds ausgeschlossen werden. Bis zu diesem Zeitpunkt basierte es ausschließlich auf der Annahme, dass sich das Universum nicht wie eins mit der Milchstraße verhielt, die in der Mitte einer festen Metrik mit einer universellen Explosion von Galaxien in alle Richtungen sitzt (wie z frühes Modell von Milne vorgeschlagen).

Darüber hinaus sind die Wissenschaftler zuversichtlich, dass die Theorien, die auf der metrischen Ausdehnung des Raums beruhen, richtig sind, da sie die strengen Standards der wissenschaftlichen Methode erfüllt haben. Insbesondere wenn physikalische Berechnungen auf der Grundlage der aktuellen Theorien (einschließlich metrischer Expansion) durchgeführt werden, scheinen sie Ergebnisse und Vorhersagen zu liefern, die im Allgemeinen sehr gut sowohl mit astrophysikalischen als auch mit teilchenphysikalischen Beobachtungen übereinstimmen. Die räumliche und zeitliche Universalität physikalischer Gesetze galt bis vor kurzem als philosophische Grundannahme, die nun bis an die Beobachtungsgrenzen von Zeit und Raum getestet wird. Diese Beweise werden sehr ernst genommen, da gezeigt werden kann, dass der Detaillierungsgrad und die schiere Menge an Messungen, die die Theorien vorhersagen, genau und genau der sichtbaren Realität entsprechen. Der Grad der Genauigkeit ist schwer zu quantifizieren, liegt aber in der Größenordnung der Genauigkeit der physikalischen Konstanten, die die Physik des Universums bestimmen.


Bedeutet die beschleunigte Ausdehnung der Raumzeit, dass sich das Tempo der Zeit ändert? - Astronomie

Ich hatte kürzlich eine Diskussion mit einem Professor über das frühe Universum und die schnelle Expansion. Er versicherte, dass die Ausdehnung nicht größer als die Lichtgeschwindigkeit sei. Warum gibt es diesbezüglich so ein Missverständnis?

Einige der Missverständnisse, die dieses Thema betreffen, könnten auf Verwirrung darüber zurückzuführen sein, was mit dem Universum gemeint ist, das sich "schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnt". Für die einfachste Interpretation Ihrer Frage lautet die Antwort jedoch, dass sich das Universum schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, und, vielleicht noch überraschender, einige der Galaxien, die wir gerade sehen können, sind zur Zeit sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen! Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit werden diese Galaxien für uns wahrscheinlich nicht für immer sichtbar sein. Einige von ihnen emittieren gerade ihr letztes Licht, das es jemals durch den Weltraum schaffen und uns erreichen kann (Milliarden von Jahren .). in). Danach werden wir beobachten, wie sie einfrieren und verblassen, um nie wieder gesehen zu werden.

Was Ihre spezielle Frage betrifft, was während der Zeit der schnellen Expansion (oder "Inflation") geschah, von der angenommen wurde, dass sie das frühe Universum kennzeichnet, muss ich zugeben, dass mir dies etwas weniger klar ist. Die Grundidee der Inflationstheorie ist jedoch, dass der Teil des Universums, den wir sehen können (das "sichtbare Universum"), nur ein winziger Teil des Universums als Ganzes ist und dass das Universum während der Inflation exponentiell gewachsen ist Epoche. Daher hätte es sicherlich Punkte gegeben, die sich beim Aufblasen schneller als Lichtgeschwindigkeit gegeneinander bewegten. Ob irgendwelche Punkte innerhalb unserer sichtbar Universum bewegte sich schneller als das Licht in Bezug aufeinander, ist etwas, worüber ich weniger klar bin, aber ich werde daran arbeiten, mehr über diesen speziellen Punkt zu erfahren und dies zu aktualisieren, wenn ich etwas finde!

Um die umfassendere Frage im Detail zu beantworten, müssen wir spezifizieren, was wir unter dem Universum verstehen, das sich schneller als Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Das Universum ist keine Ansammlung von Galaxien im Weltraum, die sich alle von einem zentralen Punkt entfernen. Stattdessen ist es eine angemessenere Analogie, sich das Universum als einen riesigen Teigklumpen vorzustellen, in dem Rosinen verteilt sind (die Rosinen repräsentieren Galaxien, der Teig repräsentiert den Weltraum). Wenn der Teig in einen Ofen gegeben wird, beginnt er sich auszudehnen, oder genauer gesagt, sich zu dehnen, wobei er die gleichen Proportionen wie zuvor beibehält, aber mit der Zeit werden alle Abstände zwischen den Galaxien größer.

Die Quintessenz ist, dass sich verschiedene Galaxienpaare mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zueinander bewegen, je weiter die Galaxien sind, desto schneller bewegen sie sich auseinander. Wenn wir also fragen, ob sich das Universum "schneller als Lichtgeschwindigkeit ausdehnt", werde ich dies so interpretieren, dass es bedeutet: "Gibt es im Universum zwei Galaxien, die sich schneller als Lichtgeschwindigkeit zueinander bewegen? ?"

Wie messen wir das also? Wie in einer früheren Frage erörtert, wird die Expansion des Universums durch die sogenannte Hubble-Konstante bestimmt, die ungefähr 71 entspricht, gemessen in den technisch nützlichen, aber konzeptionell verwirrenden Einheiten von "Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec". In vernünftigeren Einheiten beträgt die Hubble-Konstante ungefähr 0,007% pro Million Jahre – was bedeutet, dass sich alle Entfernungen im Universum alle Millionen Jahre um 0,007% verlängern. (Diese Interpretation geht davon aus, dass die Hubble-"Konstante" tatsächlich über diese Millionen Jahre konstant bleibt, was nicht der Fall ist, aber da eine Million Jahre auf kosmischen Zeitskalen extrem kurz ist, ist dies eine ziemlich gute Annäherung. Sie geht auch davon aus, dass, wenn wir Wenn wir über die "Entfernung" zwischen zwei Galaxien sprechen, beziehen wir uns auf die Entfernung zwischen ihnen jetzt sofort -- das heißt die Entfernung, die wir messen würden, wenn wir irgendwie "den Standbild-Knopf" auf dem Universum drücken, dadurch die Expansion stoppen, und dann ein wirklich langes Maßband zwischen den beiden Galaxien ausfahren und die Entfernung ablesen würden. Es gibt viele andere Entfernungen, die in der Kosmologie definiert werden können, aber dies ist die nützlichste für die aktuelle Frage.)

Wenn wir die oben angegebene Definition des Abstands verwenden (und nur wenn wir diese Definition und keine andere verwenden), sagt uns die Hubble-Konstante, dass für jeden Megaparsec Abstand zwischen zwei Galaxien die scheinbare Geschwindigkeit, mit der sich die Galaxien voneinander entfernen, um 71 Kilometer pro Sekunde größer ist. Da wir wissen, dass die Lichtgeschwindigkeit etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde beträgt, lässt sich leicht berechnen, wie weit zwei Galaxien entfernt sein müssen, um sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit voneinander zu entfernen. Die Antwort, die wir bekommen, ist, dass die beiden Galaxien etwa 4.200 Megaparsec (130.000.000.000.000.000.000.000 Kilometer) voneinander getrennt sein müssen.

Daher haben wir die ursprüngliche Frage auf eine viel einfachere reduziert: Gibt es im gesamten Universum zwei Galaxien, deren Entfernung (wie oben definiert) größer als 4.200 Megaparsec ist?

Nun, wir könnten diese Frage einfach mit "Schummeln" beantworten: Da aktuelle kosmologische Theorien besagen, dass das Universum unendlich groß ist, gibt es sicherlich einen Haufen Galaxien, die mehr als 4.200 Megaparsec voneinander entfernt sind – tatsächlich eine unendliche Anzahl davon! Wenn wir jedoch etwas näher bei den Beobachtungen bleiben wollen, können wir nicht wirklich beweisen dass das Universum unendlich ist. Vor diesem Hintergrund könnte eine fairere Frage sein, ob sich Galaxien im sichtbaren Universum (der Teil, den wir derzeit sehen können) schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen.

Überraschenderweise lautet die Antwort ja! Das Kosmologie-Tutorial von Ned Wright enthält einen Taschenrechner, mit dem Sie viele Größen, einschließlich der Entfernung, für verschiedene Modelle des Universums und für Galaxien mit verschiedenen "Rotverschiebungen" von uns berechnen können (die Rotverschiebung ist eine experimentell leicht zu bestimmende Eigenschaft des Lichts der Galaxie das sagt uns, wie weit sich das Universum zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Licht ausgestrahlt wurde, und dem Zeitpunkt, zu dem es empfangen wurde, gestreckt hat). Unter Verwendung der besten durch Beobachtungen ermittelten Werte für die Expansionsrate des Universums, die Beschleunigung und andere Parameter (die die Standardeingaben für den Rechner sind), habe ich festgestellt, dass Sie bei einem Wert von etwa 1,4 für z (die Rotverschiebung) die erforderlicher Abstand von 4.200 Megaparsec. Daher entfernt sich derzeit jede Galaxie mit einer Rotverschiebung von mehr als 1,4 schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns.

Können wir diese Galaxien sehen? Ja, das können wir auf jeden Fall! Helle Galaxien werden regelmäßig bis zu einer Rotverschiebung von wenigen entdeckt, eine Rotverschiebung von 1,4 ist nicht wirklich viel. Hier sind zum Beispiel einige Bilder von Quasaren (Galaxien mit extrem aktiven Schwarzen Löchern in ihren Zentren) mit Rotverschiebungen um 5. Wir können sogar Licht (wenn auch nicht einzelne Objekte) bis zurück zu einer Rotverschiebung von 1000 oder so sehen. (Dieses Licht wird als kosmischer Mikrowellenhintergrund bezeichnet und wurde etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall emittiert, direkt nachdem das Universum so weit abgekühlt war, dass das Licht durch die gesamte dazwischenliegende Materie dringen konnte.) Inzwischen spuckt der Rechner die Zahlen aus sagen Sie uns, dass für eine Galaxie mit einer Rotverschiebung von 1,4 das Licht, das wir derzeit von dieser Galaxie sehen, etwa 4,6 Milliarden Jahre nach dem Urknall emittiert wurde, als das Universum bereits recht gut entwickelt war.

Sie fragen sich vielleicht, wie wir eine Galaxie sehen können, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns entfernt! Die Antwort ist, dass die Bewegung der Galaxie jetzt hat keinerlei Einfluss auf das Licht, das es vor Milliarden von Jahren aussendete. Dem Licht ist es egal, was die Galaxie tut, es kümmert sich nur um die Ausdehnung des Raums zwischen ihren Strom Standort und wir. Wir können uns also leicht eine Situation vorstellen, in der die Galaxie war nicht bewegte sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit in dem Moment, in dem das Licht emittiert wurde, daher konnte das Licht der Ausdehnung des Weltraums "entkommen" und sich auf uns zubewegen, während sich die Galaxie von uns entfernte, als sich das Universum ausdehnte. Bedenkt man, was wir oben gelernt haben – dass sich weiter entfernte Objekte in einem sich proportional ausdehnenden Universum schneller entfernen – können wir sofort sehen, dass sich die Galaxie direkt nach der Emission des Lichts von uns entfernt Schneller als der Punkt, an dem sich das Licht befindet, und dass diese Disparität mit der Zeit nur zunehmen wird und sich Galaxie und Licht noch mehr trennen. Daher können wir leicht eine Situation haben, in der sich die Galaxie immer schneller wegbewegt und schließlich die Lichtgeschwindigkeit relativ zu uns erreicht oder überschreitet, während das Licht, das sie vor Milliarden von Jahren emittiert hat, gemächlich dahinschwebt, ohne sich über sie hinweg bewegen zu müssen eine Region des Raumes, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit ausdehnte und uns daher schließlich erreicht.

Sie fragen sich vielleicht auch, wie eine Galaxie überhaupt dazu in der Lage ist, die Lichtschrankengeschwindigkeit zu überschreiten, siehe unsere Antwort auf eine frühere Frage.

Die Tatsache, dass sich Galaxien, die wir jetzt sehen, schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen, hat jedoch einige düstere Konsequenzen. Astronomen haben jetzt starke Beweise dafür, dass wir in einem "beschleunigenden Universum" leben, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit jeder einzelnen Galaxie in Bezug auf uns mit der Zeit zunehmen wird. Wenn wir davon ausgehen, dass diese Beschleunigung auf unbestimmte Zeit anhält, dann werden Galaxien, die sich derzeit schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen immer bewegen sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit von uns weg und erreichen schließlich einen Punkt, an dem sich der Raum zwischen uns und ihnen so schnell ausdehnt, dass jedes Licht, das sie nach diesem Punkt aussenden, dies wird noch nie uns erreichen können. Im Laufe der Zeit (Milliarden von Jahren in der Zukunft) werden wir sehen, wie diese Galaxien einfrieren und verblassen, um nie wieder etwas zu hören. Da außerdem immer mehr Galaxien über die Lichtgeschwindigkeit hinaus beschleunigen, wird jedes Licht, das sie nach einem bestimmten Punkt emittieren, ebenfalls uns nicht erreichen können, und auch sie werden einfrieren und verblassen. Letztendlich werden wir mit einem Universum zurückbleiben, das größtenteils unsichtbar ist, mit nur dem Licht einiger sehr naher Galaxien (deren Bewegungen stark von der lokalen Gravitationswechselwirkung beeinflusst werden), um uns Gesellschaft zu leisten. Für weitere Details finden Sie hier ein technisches Papier zu diesem Thema.

Welche Galaxien verabschieden sich derzeit "zum letzten Mal?" Das heißt, wenn wir uns vorstellen, dass in diesen Galaxien Außerirdische leben, die hoffen, mit uns Kontakt aufzunehmen, welche Galaxien laufen dann gerade gegen ihre Frist? Eine vernünftige Vermutung wäre, dass sich die Galaxien, die sich derzeit mit Lichtgeschwindigkeit in Bezug auf uns bewegen (in einer Entfernung von 4.200 Megaparsec und einer Rotverschiebung von 1,4, wie oben diskutiert), am "kritischen Punkt" befinden, an dem jedes Licht, das sie danach aussenden, wird uns jetzt nie erreichen können. Grob gesagt ist dies richtig, aber eine detaillierte Berechnung (wie die in diesem Papier enthaltene) zeigt, dass es für das einfachste praktikable Modell der Beschleunigung des Universums tatsächlich Galaxien in einer Entfernung von 4.740 Megaparsec und einer Rotverschiebung von 1,69 sind, die gerade jetzt den kritischen Punkt erreichen, während Galaxien mit einer Rotverschiebung von 1,4 immer noch Licht emittieren, das uns schließlich erreichen wird.

Der Unterschied ist auf eine eher subtile Tatsache zurückzuführen: Obwohl sich das Universum in dem Sinne "beschleunigt", dass sich jede Galaxie im Laufe der Zeit schneller bewegt, ist die Hubble-Konstante tatsächlich abnehmend mit der Zeit – mit anderen Worten, die Geschwindigkeit, mit der sich der Raum ausdehnt, gemessen an einem Punkt, der bei a . liegt fester Abstand von uns, wird mit der Zeit kleiner. Wenn wir unsere Augen auf eine einzelne Galaxie richten, während sie sich von uns entfernt, werden wir sehen, wie sie sich beschleunigt, aber wenn wir unseren Blick auf einen festen Punkt im Raum richten und viele verschiedene Galaxien an diesem Punkt vorbeiziehen sehen, wird die Geschwindigkeit jeder Galaxie langsamer als der davor. (Als eine sehr grobe Analogie verhält sich das Universum wie ein Fluss mit Stromschnellen. Wenn Sie ein Boot in den Fluss setzen und es von der Strömung tragen lassen, wird es beschleunigt, wenn es sich stromabwärts bewegt und in die Stromschnellen eintritt. Aber wenn Sie sitzen am Ufer und messen die Geschwindigkeit des Wassers an einer Stelle, ändert sie sich aufgrund ganz anderer Faktoren – zum Beispiel der Geschwindigkeit, mit der sich die Wasserzufuhr von flussaufwärts ändert Ihre Position mit der Zeit abnehmen, obwohl jedes Boot, das Sie loslassen, beschleunigt, wenn es in die Stromschnellen fährt.) Wenn das Licht aufgrund dieses Effekts in der Lage ist, "gegen den Strom zu schwimmen" und einen ungefähr konstanten Abstand zu uns hat ( wie es passieren würde, wenn es von einer Galaxie emittiert wird, die sich mit Lichtgeschwindigkeit von uns wegbewegt), dann wird es im Laufe der Zeit und der Hubble-Konstante schließlich in der Lage sein, Boden zu gewinnen, "stromaufwärts zu schwimmen" und die erforderliche Distanz zurückzulegen Platz, um uns zu erreichen.

Diese Seite wurde zuletzt am 10.02.2016 aktualisiert.

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Über den Autor

Dave Rothstein

Dave ist ein ehemaliger Doktorand und Postdoktorand bei Cornell, der Infrarot- und Röntgenbeobachtungen und theoretische Computermodelle verwendet hat, um die Akkretion Schwarzer Löcher in unserer Galaxie zu untersuchen. Er hat auch den größten Teil der Entwicklung für die frühere Version der Site übernommen.


Frage Gravitationseffekt auf die Grenze des Universums

Ok from what I understand gravity has very very long range effects, it travels at the speed of light and it’s constant. Until the mass causing it is destroyed or breaks up.

My question is, it’s likely gravity waves are close to the outer edge of our universe, as only light is as fast, if that’s a correct assumption of mine, what effect would all those gravity waves be having as more and more overlapping gravity waves pass the outer edge of mass of our universe?

do they build up or cancel out?

Is this why the universe is expanding faster as the effect of gravity waves moving past the outer mass of the universe is pulling that mass with it?

or is the gravity pulling its self towards what’s outside the universe. And pulling the universe along with it?

ok they are likely all dumb questions, and it’s for my Curiosity only, thanks for any replies.

Jacob

Dave643

Hi thanks I followed the link. It’s as good a theory as any theory we have, one point, It could relate to the hammer at the end.

I thought they think dark matter makes up the theoretically missing gravity in the universe and that It exists in the spaces between galaxies?

which if the Big Bang was a scatter gun not a balloon then that dark matter is what our space time expanded out into. So the boundary in my question I think it’s called dark matter because they think it’s opposite to the matter we interact with so it may attract mass (gravity) while having no space time mass it’s self. It may also as it’s out side space time be faster than light, as light is governed by space time, Or the rules of regular matter.

I did also think gravity is supposed to extend billions of light years but maybe that is now debunked.
This is the problem when we just don’t know, we get lots of plausible theories, until one is experimental proven or the math works it’s open to change.
like I said thanks for the reply it’s always interesting to learn.

David-J-Franks

Ok from what I understand gravity has very very long range effects, it travels at the speed of light and it’s constant. Until the mass causing it is destroyed or breaks up.

My question is, it’s likely gravity waves are close to the outer edge of our universe, as only light is as fast, if that’s a correct assumption of mine, what effect would all those gravity waves be having as more and more overlapping gravity waves pass the outer edge of mass of our universe?

do they build up or cancel out?

Is this why the universe is expanding faster as the effect of gravity waves moving past the outer mass of the universe is pulling that mass with it?

or is the gravity pulling its self towards what’s outside the universe. And pulling the universe along with it?

ok they are likely all dumb questions, and it’s for my Curiosity only, thanks for any replies.

Gravity waves travel through space-time, space-time exists between galaxy groups so I guess they would travel indefinitely at the speed of light and diminish according to the inverse square law, but never stopping completely. If quantum gravity theory gets finished that may well say they do stop at some distant point.

Gravity waves don't pull mass with them, they simply cause a disturbance when passing through, just like waves on a pond.

If by 'our universe' you mean just the contents of our big bang, then that implies there's a beyond and in which case there would presumably be more space-time there, and so the gravitation waves would keep going without pilling up. The problem here is that space is expanding faster than light speed beyond the observable contents of our big bang, so any gravity waves here probably will never get past the edge of the observable contents of our big bang, unless expansion slows down.


How Is The Universe Accelerating If The Expansion Rate Is Dropping?

If you take a look at any galaxy in the Universe that isn’t gravitationally bound to our own, we’ve already learned what’s going to happen to it in the future. Our Local Group, consisting of our Milky Way, Andromeda, and about 60 smaller galaxies, are the only ones bound to us. If you considered any other galaxy as part of the bound structure it’s a member of — like a galaxy pair, group, or cluster — that entire structure is receding from us, with its light systematically shifted towards longer wavelengths: a cosmic redshift. The farther away a galaxy is, on average, the greater the amount of its redshift, implying that the Universe is expanding.

Moreover, if you were to hang around for large amounts of cosmic time, you’d find that this galaxy is speeding up in its recession from us. As time goes on, it will redshift by greater and greater amounts, implying that the Universe is not only expanding, but that it’s accelerating. The inferred speed for any galaxy (that isn’t gravitationally bound to us) will rise over time, and all such galaxies will eventually become unreachable, even at the speed of light. And yet, if we were to measure the expansion rate of the Universe, what we commonly call the Hubble constant, we’d find that it’s actually dropping over time, not rising.

Here’s how, in an accelerating Universe, that’s actually possible.

The first thing you have to realize is that in our theory of gravity — Einstein’s General Relativity — there’s a tremendously powerful relationship between the matter and energy in our Universe and the way that space and time behave. The presence, amount, and types of matter and energy present determine how space and time curve and evolve over time, and that curved spacetime tells matter and energy how to move.

Einstein’s theory is tremendously complicated it took months for the first exact solution to be found in General Relativity, and that was for a Universe with one non-rotating, uncharged point mass in it. More than 100 years later, there are still only perhaps two dozen exact solutions are known.

Fortunately, one of them is for a Universe that’s uniformly filled in all locations with roughly equal amounts of matter, radiation, and any other forms of energy you can dream up. When we look out at the Universe and measure it, on the largest cosmic scales, this appears to describe what we see.

A Universe filled with the same amount of stuff everywhere, from the earliest times (which we see imprinted in the Cosmic Microwave Background) to the present day (where we can count galaxies and quasars), seems to be exactly what we have. And if that’s the Universe in which you live, there’s a specific solution that describes the spacetime you occupy: the Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker spacetime.

What this spacetime tells us is remarkable. On one side of the equation, you get all the different forms of energy that can be present:

  • normal matter,
  • antimatter,
  • dark matter,
  • neutrinos,
  • radiation (like photons),
  • dark energy,
  • spatial curvature,
  • and anything else we can dream up.

And on the other side? An expression that we quickly realized was how the fabric of space changed over time: either growing or shrinking. We could only tell which one was true by observing it.

This one equation, called by some the most important equation in the Universe, tells us how the Universe evolves over time. Think about what it means: the rate at which the Universe either expands or contracts is directly related to the sum total of all the matter and energy — in all its different forms — present within it.

Before we had ever measured it, the widespread assumption was that the Universe was neither expanding nor contracting, but static. When Einstein realized that his equations predicted that a Universe full of stuff would be unstable against gravitational collapse, he threw in a cosmological constant to exactly balance out the force of gravity the only way he could think of to prevent the Universe from imploding in a Big Crunch.

Even when it was pointed out to him directly by some (including Lemaître), Einstein derided the possibility that the Universe could be anything other than static. “Your calculations are correct, but your physics is abominable,” Einstein wrote in response to Lemaître’s work. And yet, when the key observations of Hubble came in, the results were unmistakable: the Universe was indeed expanding, and completely inconsistent with a static solution.

An expanding Universe is one that was smaller in the past, and grows to occupy larger and larger volumes in the future. It’s one that was hotter in the past, since radiation is defined by the size of its wavelength, and as the Universe expands, this expansion stretches the wavelengths of any photons as they travel through intergalactic space, with the amount of stretching related to the amount of cooling. And it’s one that was even more uniform in the past, as an almost-uniform Universe that gravitates will see those tiny initial overdensities grow into the large-scale structure we observe today.

The big question, of course, is Wie the Universe’s expansion rate changes over time, and that’s dependent on the different forms of energy that are present within it. The volume of the Universe will continue to grow regardless of what’s in it, but the rate at which the Universe grows will change dependent on exactly what types of energy it’s filled with.

Let’s look at some examples in detail.

If we had a Universe that was 100% made of matter, with nothing else at all, it would expand at a rate that grew as

t^⅔, where if you doubled the age of the Universe, your size (in each of the three dimensions) would grow by 58%, while your volume would roughly quadruple.

If we had a Universe that was 100% made of radiation, again with nothing else at all, it would expand at a rate that grew as

t^½. If you doubled the age of your Universe, your size would increase by 41% in each dimension, while the volume increases to about 2.8 times its original value.

And if you had a Universe that was filled with dark energy — and if we assume that dark energy turns out to truly be a cosmological constant — the Universe wouldn’t expand as a power law in time, but as an exponential. It would grow as

e^Ht, where H is the expansion rate at any particular moment in time.

Why are these three cases so different from one another? The best way to think about it is to allow them to all start off like they’re the same Universe. They have the same initial expansion rate, the same initial volume, and the same amount of total energy present within that volume.

But as they start to expand, what happens?

  • The matter-filled Universe dilutes its density drops as the volume expands, all while the mass (and hence the energy, since E = mc²) remains constant. As the energy density drops, so does the expansion rate.
  • The radiation-filled Universe dilutes faster it’s density drops as the volume expands, while each individual photon also loses energy due to its cosmological redshift. The energy density drops faster for a radiation-filled Universe than a matter-filled one, and therefore so does the expansion rate.
  • But a Universe filled with dark energy — a cosmological constant — doesn’t dilute. The energy density remains constant: the definition of a cosmological constant. As the volume of the Universe expands, the total amount of energy goes up, keeping the expansion rate constant.

If you were to then imagine that, in each of these Universes, you were located at the same point, and there were one other galaxy in the Universe (corresponding to a different point), you could watch it recede away from you over time. You could measure how its distance was changing with time, and you could measure how its redshift (which corresponds to its recession speed) changed with time.

  • In the matter-filled Universe, the other galaxy would get farther and farther away from you as time went on, but it moves away from you more slowly in the process. Gravity works to counteract the expansion, failing to stop it but succeeding in slowing it down. In a matter-only Universe, the expansion rate continues to drop, eventually approaching zero.
  • In the radiation-filled Universe, the other galaxy still gets farther and farther away as time goes on, but the galaxy not only moves away more slowly as time goes on, it slows down faster than in the matter-only case. The expansion rate still asymptotes to zero, but the distant galaxy remains closer and moves away more slowly than in the matter-filled version.
  • But in the dark energy-filled Universe, the other galaxy gets farther away and does so at an increasingly faster speed. When it’s double the initial distance away, it now appears to be receding at double the speed. At 10 times the distance, it’s 10 times the speed. Even though the expansion rate is a constant, any individual galaxy speeds up as it recedes from us over time.

(If you’re curious, there’s an on-the-border case: an empty Universe, where only curvature determines the expansion. In this Universe, the other galaxy gets farther away, but its recession speed would remain constant.)

This might not make intuitive sense to you, so let’s bring a little bit of math in to help. The expansion rate, today, is

70 km/s/Mpc. Take a look at those weird units! The expansion rate is a speed (70 km/s) that accumulates with cosmic distance (for each Mpc, or megaparsec, which corresponds to

3.26 million light-years). If something’s 10 Mpc away, it recedes at

700 km/s if it’s 1,000 Mpc away, it recedes at 70,000 km/s.

In a matter-filled or radiation-filled Universe, the expansion rate itself drops with time, so even as a galaxy gets more distant, the expansion rate slows down by a greater percentage than its distance goes up. But in a dark energy-filled Universe, the expansion rate is constant, so as a galaxy gets more distant, it moves away faster and faster.

The largest contributors to our Universe’s energy today are matter (at

68%). The matter part continues to dilute, while the dark energy part remains constant. Since both contribute, the expansion rate continues to drop, and will eventually asymptote to a value of

45–50 km/s/Mpc. However, a distant galaxy still speeds up as it moves away from us, something that’s been going on for the past 6 billion years in our 13.8 billion year history. The expansion rate is dropping, but the speeds of distant galaxies are still increasing, or accelerating.

That’s the big key to understanding this: as the Universe expands, we can measure two different things. We can measure the expansion rate, which tells us, for every megaparsec a galaxy is away from us, how fast it recedes. This expansion rate, a speed-per-unit-distance, changes over time, dependent on the amount of energy present within a given volume of the Universe. As the Universe expands, the amount of dark energy in a given volume stays the same, but the matter and energy densities go down, and therefore so does the expansion rate.

But you can also measure a distant galaxy’s recession speed, and in a Universe dominated by dark energy, that speed will increase over time: an acceleration. The expansion rate drops, asymptoting to a constant (but positive) value, while the expansion speed increases, accelerating into the oblivion of expanding space. Both of these things are simultaneously true: the Universe is accelerating and the expansion rate is very slowly dropping. At last, now you finally understand how it happens, too.


When we say space is expanding, what is that relative to?

Maybe how we discovered the expansion of the universe will be illuminating.

When things move quickly away from you they appear redder than before, just like the Doppler effect shifting the pitch of a moving car. The spectrum of light emitted by stars has certain dark bands (caused but absorption of light by certain elements) that are always created at the same wavelength. This means that you can quantify the amount of "redshift" and determine how fast you and the star are moving apart from each other. This works for galaxies, too, as they are just big aggregations of stars.

If you look at galaxies near to ours, you'll find that the movements are kind of random. Some are moving closer (Andromeda, in particular) and some are moving away. But as you look at galaxies further and further away, they get redder and redder. For large distances Hubble's law applies: the further you are from a galaxy, the faster you're moving away from it.

You could interpret this as earth being some kind of special repulsive body, but it's pretty unlikely we're special. That means that everything is getting further away from everything else, which is pretty weird. At any point in the universe (as far as we can tell, assuming the universe is roughly homogeneous) you'll see the same relationship, where everything appears to be getting further away from you.

Over short distances the strong and weak nuclear forces are more important than this expansion, so we don't get torn apart. Gravity is stronger than the expansion over somewhat longer distances, so galaxies and small clusters of galaxies tend to clump up. This might not be the case forever, as the expansion is accelerating. Eventually (very far into the future) the expansion could get powerful enough to tear apart atoms in à process called the big rip.

TLDR: the expansion is relative to wherever you observe it from, because everything is trying to get further apart from everything else.


Does the accelerating expansion of spacetime mean that the pace of time is changing? - Astronomie

In an earlier paper (Masreliez, 1999) the author proposed that the universe might evolve by changing the metrics of both space and time. This mode of expansion might resolve several cosmological puzzles. An interesting aspect of the new model is that it implies a new phenomenon, cosmic (velocity) drag, which diminishes the relative velocities of freely moving particles as well as the angular momentum of freely rotating systems. In this paper I show that cosmic drag not only would explain the spiral shape of galaxies but also their flat velocity curves.

The new theory, which here is referred to as "The Expanding Spacetime (EST) theory", is based on the observation that the equations of general relativity are the same for line elements with different metric scales, which suggests that the spacetime geometry of the universe could remain unchanged during a cosmological scale expansion of both space and time. In such a scale expansion of all four metrics there would be no reference epoch all epochs would be equivalent. However, when modeling such an expansion mode in general relativity one finds that there is no continuous variable transformation connecting different epochs. With a continuously expanding scale different epochs are not covariant and are therefore not physically equivalent in the Einstein sense. Some researchers have extended the scope of general relativity to include a changing scale, for example Weyl's modification to general relativity, which also was considered by Dirac and more recently by Canuto and by Maeder in a series of articles. The EST theory takes a different approach by assuming that the cosmological expansion occurs in discrete temporal increments

2. Summarizing the EST theory.

Since this new theory is not yet very familiar, a brief summary is warranted. The philosophical line of reasoning that leads to the EST theory starts with the proposition that the cosmological scale of material object and dynamic processes is relative and that no absolute scale of things exists in the universe. Not only does this relativity of scale make intuitive sense, since it is difficult to understand why any particular scale should take preference in the universe, but it also agrees with known physics, which recognizes scale invariance as a well-known example of gauge invariance.

Therefore, I make universal scale invariance a first postulate:

P1: There is no absolute scale of the spacetime metrics.

However, in general relativity this gauge invariance might seem quite trivial since a different scale may be though of as simply a re-definition of the metrics of spacetime so that different scales merely correspond to different units of measurement. Although this is true if the scale remains constant, the cosmological expansion raises the question whether the cosmological scale might change with time. A with time expanding scale would create a universe with different properties compared to a universe with fixed scale. Since general relativity does not distinguish between different scales and since there seem to be no reason why any particular scale should take preference it appears reasonable to assume that if the universe expands by changing the scale both of space and time, different epochs are geometrically and physically equivalent. This reasoning leads to the second postulate:

P2: All spatial and temporal locations are physically equivalent in all respects.

If the scale of both space and time increase with the progression of time we could attempt to model this in general relativity by a time dependent scale factor, a(t), multiplying all four metrics in the line element. This would model a universe where spacetime expands relative to a fictitious coordinate system with fixed rate of (proper) time as given by the invariant ds. Based on the two postulates above we conclude that the cosmological scale expansion must be exponential with time. In this case the line element with scale factor exp(t) is equivalent to the line element with scale factor exp(t+Δt) = constant exp(t), since spacetimes differing by a constant scale factor are equivalent according to general relativity. This suggests that different epochs are physically equivalent. However, according to general relativity this equivalence can only be obtained between spacetimes of differing scales corresponding to some time increment Δt. Then these two line elements are related via the simple transformation t2= t1+ Δt and therefore strongly equivalent in the sense of Einstein. However, no continuous variable transformation exists connecting different line elements with scale factors exp( t1) and exp(t2). This suggests that the requirement that all epochs are equivalent (covariant) in the sense of Einstein implies that the cosmological expansion occurs in discrete temporal increments. We thus arrive at a third postulate:

P3: The cosmological expansion takes place in discrete temporal increments.

Together these three postulates form the basis for the Expanding Spacetime theory. The third postulate also follows from the impossibility of conceiving a pace of time that changes continuously relative to it self. The EST theory bypasses this problem by introducing the scale as "a fifth dimension" beyond the four dimensions of spacetime.

If we model the cosmological scale expansion by a line element with an exponentially increasing scale factor relative to a fictitious non-expanding coordinate system, how should this be modeled in a coordinate system that expands together with spacetime? To an observer in this expanding spacetime the relation between the metrics of space and time would always remain the same, but there would be additional physical effects due the exponentially accelerating scale. At every instant t= Δt the universe would "look the same" as it did at t=0. One possible way of modeling this mode of expansion is the following iteration loop:

  • Spacetime expands from t zu t+ Δt by continuously changing the scale factor from exp(t) zu exp(t+Δt). This step may be modeled by general relativity.
  • At t+Δt the pace of proper time suddenly slows down by changing the increment ds => ds · exp(Δt).
  • The factor exp(Δt) now appears on both sides of the line element and may be eliminated restoring the line element with scale factor exp(t) in the first step above.
  • The iteration loops back to the first step.

General relativity is "blind" to the change of proper time in the second step since the line element remains the same at t und t+ Δt and the energy-momentum tensor does not change.

However, the new and different aspect of this cosmological expansion mode is the discrete change of the pace of time in the second step. This takes the EST model beyond general relativity and established epistemology, which presumes continuous processes. One may well wonder if this radical departure is justified.

In response to this question, consider the nature of "motion". How does a moving particle change its position with time? This was an unresolved mystery for the antique Greeks, but since the seventeenth century, with the introduction of differential calculus, we treat motion as a limiting process of infinitely many incremental, diminutive, steps. Since this works excellently when modeling macroscopic motion, we usually handle the dynamics of moving objects by solving differential equations assuming continuous progression of time.

Although we take the validity of continuous motion for granted, upon deeper reflection this idea seems rather strange. In fact, it is difficult if not impossible to think of motion as a continuous process. We are always visualizing motion as a sequence of small incremental displacements. The difficulty with continuous motion is that it seems to imply that an infinite number of steps must occur in a limited time. The ancient Greeks recognized this puzzle as one of Zeno's paradoxes. More recently, quantum mechanics has revealed that the nature of the quantum world is discrete rather than continuous.

The very natural idea of implementing motion by a sequence of consecutive steps might actually be Nature's way. Continuous motion might never occur in Nature. The progression of time might very well be discrete, and the modeling of particle trajectories by differential equations might fail in the quantum world.

In addition to this somewhat philosophical argument I offer the following comments:

The EST model, which implies discrete progression of time, better agrees with astronomical observations than the Standard Model based on the Big Bang and it resolves several cosmological puzzles. It also predicts a new phenomenon, cosmic drag, which not only explains the spiral form of galaxies but which also already might have been detected by observations in the solar system (Kolesnik, 2000, 2001).

Second, nothing is wrong with the idea that the scale of the universe might change with time and that all epochs are equivalent. Everyone easily grasps this cosmological expansion mode. However, such a continuous scale expansion process cannot be modeled by general relativity and therefore has not been seriously considered in the past. But, we ought to be able to model a cosmological scale that expands with time. The fact that we cannot do this indicates a weakness in available mathematical models rather than a constraint to be imposed on the way the universe works. In short, the fact that we cannot model it by general relativity does not mean that it cannot be.

3. A few properties of the Expanding Spacetime model.

The Expanding Spacetime theory has proven remarkable capable of solving several cosmological puzzles and its predictions excellently agree with observations (Masreliez, 1999). Some of the advantages of the EST model are summarized below:

  • There is no Big Bang. All epochs are physically equivalent.
  • The horizon problem disappears. There is no event horizon or particle horizon. All regions of the universe communicate and always have communicated. Infinite redshift corresponds to infinite distance.
  • The age problem disappears. No limit is imposed on the age of stars, galaxies and galaxy clusters.
  • The EST universe is in thermal equilibrium with the cosmic microwave background radiation. The Planck spectrum is retained during the scale expansion.
  • Vacuum contains energy there is no missing dark matter. The mass density component, T00, of the energy-momentum tensor for vacuum equals the critical density.
  • The redshift is caused by tired light, which in the EST universe is a gravitational effect generated without scattering by the cosmological expansion.
  • Tired light resolves a number of observational puzzles, for example the galaxy number count discrepancies, the angular size problem and the recently discovered supernovae Ia luminosity discrepancies.
  • The EST expansion mode implies a new phenomenon, cosmic drag, which acts to diminish relative velocities of freely moving particles.

This paper discusses the effect cosmic drag would have on the motions of stars in a galaxy.

4. Cosmic drag - a new cosmological phenomenon.

The Expanding Spacetime theory line element is given by:

T is the Hubble time commonly associated with the age of the universe. In deriving the corresponding geodesic (see Masreliez, 1999) we find that a particle initially moving at the speed of light always will move at the speed of light. However, relative velocities of freely moving slower particles will diminish with time. If the velocity is much less than the speed of light we have:

Similarly, rotating systems will lose angular momentum. For slow rotations we have:

A freely moving particle with initial velocity β=v/c will slow down and eventually stop at a distance L (this expression is wrong in my previous paper):

The relativistic Doppler shift is given by:

Thus, the Doppler shift corresponding to the initial velocity is the same as the cosmological redshift at the ultimate range, L, where the particle has come to rest. The redshift actually is constant (see the Appendix) for a freely receding or approaching particle in the EST universe regardless of the distance. In the Standard Cosmological Model, the particle moves at constant velocity all the time, but in the EST universe it coasts to a stop due to cosmic drag at a distance where the cosmological redshift equals the initial Doppler shift.

Relation (5.3) may be combined with Kepler's third law for planetary motion,

to derive the two relations:

The last relation explains the angular acceleration of the planets in the solar system. Figures 1 and 2, which are from Kolesnik's paper (Kolesnik, 2000), show the observed angular accelerations of the inner planets. These measured accelerations agree with (5.9) if the Hubble time is about 14 billion years. For the Earth the EST acceleration is about 2.7 arcsec/century squared (2.7"/cy 2 ) and the Earth approaches the Sun by about 25 meters/year.

Combining the geodesic with the gravitational potential we get the following expression for the radial acceleration (see Masreliez, 1999):

The first term is very small, and I will assume that the expression within the brackets on the average disappears:

We see that for a concentrated central mass, M(r)=constant, the radial distance decreases with time as in (5.8). However, other mass distributions might give different decay rates.

The average (tangential) velocity at some radial distance r is as usual:

5. Stellar motions in galaxies.

With these preliminaries we are in position to investigate the motion of stars in galaxies. Expression (5.11) provides information on radial decay rates as a function of the radial distance and time. For example, if the mass of the galaxy increases linearly with the radius we see that a radial decay rate proportional to exp(-t/T) will satisfy (5.11). Using the velocity relation (5.12) we then find that the velocity is constant so that the velocity curve is flat, which agrees with observations in spiral galaxies.

Cosmic drag causes the stars in a galaxy to fall slowly in spiral trajectories toward the galaxy core. Since the stars and other matter fall along geodesics there is no shear effect and gravitational attraction can work unimpeded to gather matter into two or more arms that form a thin rotating disc. However, this is not possible by standard physics. Simulations show that the arms will not form and matter will not collect in a thin disc due to the shear effect caused by the radial velocity gradient and dynamic instabilities. In the EST model dynamic instabilities are damped out by cosmic drag.

Relation (5.11) shows how the radial distance decays for different mass distributions M(r) as a function of the radius. Assume that the radial distance of a star decays according to:

Let's first assume that EIN is constant. Considering a small time increment, t, we get from (5.11):

We already saw that with M(r)=const · r wir bekommen A =1. Mit M(r)=const · r 2 corresponding to a homogenous disc, we get from (6.1) dM/M=-2A and then from (6.3) A= 2/3 and with M=const · r 3 corresponding to a homogenous sphere we get A=1/2.

If the mass flow in a typical spiral galaxy is in a steady state, the amount of matter falling inward is constant independent of the radial distance otherwise the mass density would either increase or decrease with time in some regions. Thus we have for a spiral galaxy in steady state:

The total mass in the region between two radial distances is proportional to the time it takes for a particle to fall through the region. Note that the thickness of the disc does not influence this result.

Let's consider a few different possibilities:

Case 1: The radial velocity vr is independent of the distance. In this case M(r)=Mc+ const · r and we saw that the velocity curves are nearly flat for large distances r.

Figure 3 shows the resulting velocity curves for a few different central mass accumulations. In this figure f is the fraction of the galaxy mass inside the radius 5rc , M(5rc), that is confined within r<rc, wo rc is the diameter of the central bulge, i. e. Mc =f · M(5rc).

From the angular momentum relation (5.3) and from (6.1) and we get:

The shape of a galaxy arm is formed by the trajectory of a star relative to the rotation of the galaxy at r=r0 where the angular velocity is v0/r0. Mit A=1 this relative angular displacement is:

This shape is shown in Figure 4. As an example consider r = 30,000 light years and v=200km/s then with T=14 billion light years we find from (6.8) that the radial distance decays by about 650 light-years per revolution, which takes about 270 million years.

Case 2: From (5.11) the radial in-fall velocity increases with increasing distance. If (6.1) applies, the radial velocity is proportional to the distance and the mass density is:

The corresponding velocity curves shown in Figure 5 are very similar to those of Figure 3, the only difference being a slight fall-off with increasing radius.

Case 3: For completeness, consider Case 2 with the added assumption that the time "constant" EIN changes with the radius. We might for example consider:

By this assumption the time constant A(r) increases from A(rc)=1/2 corresponding to a spherical mass distribution to A(r)=1 at large distances.

The mass function then becomes by (6.10):

The corresponding velocity curves are almost identical those of Figure 5 showing that flat velocity curves is a generic feature of spiral galaxies in the EST universe.

Discussion

According to the Expanding Spacetime theory velocity drag of cosmological origin influences the motion of all freely moving and rotating bodies. This new phenomenon explains the spiral shape and stability of galaxies and their flat velocity curves. Cosmic drag also predicts that the planets in our solar system slowly spiral toward the Sun with accelerating angular velocities. This phenomenon has recently been detected from worldwide optical observations during the last fifty years with atomic time. Cosmic drag will cause stars that freely fall on geodesics to flow toward the galaxy core. This eliminates the destabilizing effect of shear forces between radial layers moving at different velocities, which is characteristic of standard physics. Cosmic drag also dampens out dynamic instabilities. It is shown that flat velocity curves directly could result from the steady state streaming of matter toward the galaxy core and that these velocity curves are fairly insensitive to the actual composition of the galaxy disc. This explanation eliminates the need to postulate the existence of galactic dark matter halos.

Appendix

The geodesic of a freely moving particle in the EST universe is (Masreliez, 1999):

The distance traveled by the particle at time t is:

The EST tired light redshift relation is:

From (A2) the cosmological redshift the distance L(t) is given by:

On the other hand, the Doppler shift is given by:

The total redshift is the product of these two factors:

In the EST universe the cosmological redshift of a source, which recedes or approaches on a geodesic, is constant regardless of the distance giving the false impression that the source always moves at the same velocity.

Verweise

Canuto V., Adams, P.J., Hsieh, S.H. and Tsiang F., 1977: Phys. Rev. D, 16, 1643

Dirac, P.A.M, 1973: Proz. Roy. Soz. London A 333,403

Kolesnik Y. B. 2000: Proz. IAU, 2000

Maeder, A., 1977: Astron. Astrophys. 65, 337-343

Masreliez C. J. 1999: Astroph. & Space Science, 266, Issue 3, p. 399-447