Есть ли другие доказательства расширяющейся вселенной, кроме красного смещения?

Теория расширяющейся вселенной настолько широко принята, что красное смещение иногда используется как мера расстояния до далеких галактик.

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

Есть ли какое-либо другое доказательство (кроме красного смещения), что вселенная действительно расширяется и далеко от нас уходят галактики?

Да, есть прямые, не красные сдвиги свидетельства расширения.

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

Согласно этой статье , CMBR в прошлом был заметно жарче ( здесь нетехнический обзор ). Исследователи наблюдали линии поглощения в газовом облаке, расположенном в далекой галактике, и обнаружили, что вид наблюдаемых линий может быть объяснен только в том случае, если температура CMBR во время поглощения была между 6 К и 14 К (сейчас это 3 К). Эта температура соответствует ожидаемой температуре для красного смещения этой галактики (9 K). Обратите внимание, что температура измерялась по определенному рисунку линий, а не по тому, насколько линии были смещены красным; это измерение дало бы такую ​​же температуру, даже если бы не было красного смещения. Поскольку более высокая температура подразумевает более высокую плотность, это охлаждение CMBR с течением времени является прямым доказательством расширения Вселенной.

Дополнительные комментарии

• Какова связь между красными сдвигами и линиями поглощения?

  Вдохновлен разговором с ухо в комментариях:

  В своем ответе я ссылаюсь на «образец» «линий поглощения». Для тех, кто не разбирается в теме, позвольте мне объяснить.

  Когда свет проникает сквозь облако газа, определенные частоты света поглощаются. Когда этот свет затем проникает через призму, заблокированные частоты будут отображаться в виде черных линий в спектре (см. Иллюстрацию ниже). Точные линии, которые появляются, и их положение в спектре («структура» «линий поглощения») зависит от элементов, присутствующих в газе, и окружающей его среды. Эффект наиболее отчетливо виден при свете, излучающем фотоны на всех частотах; этот вид света известен как излучение черного тела . Хотя излучает свет на всех частотах, излучатель черного тела излучает больше всего света на определенной длине волны; расположение этого пика называется температурой черного тела.

  
  ^{Источник: Doppler Shift , Эдвард Л. Райт
  (Кстати, отличный сайт, часто задаваемые вопросы стоит посмотреть для получения дополнительной информации о красных сдвигах и космологии в целом)}

  Поскольку свет проходит через (расширяется) пространство, его длина волны и длины волн линий поглощения растягиваются с фиксированной скоростью для всех частот. Предположим, что во время излучения / поглощения в спектре появляются линии на длинах волн 1, 3 и 5 нм ¹ . После того, как фотоны пройдут в течение определенного периода времени, все длины волн спектра, как представляется, удвоились ² . Линия, ранее на 1 нм, теперь видна на 2 нм, та, что раньше на 3 нм, теперь видна на 6 нм, а та, которая первоначально на 5 нм, теперь видна на 10 нм. Хотя их абсолютные частоты меняются со временем, соотношение длин волн (и частот) линий относительно друг друга остается постоянным.

  Точная величина, на которую смещается спектр данного объекта, напрямую коррелирует с его расстоянием. Как видно на диаграмме выше, близкие объекты (например, Солнце) не имеют красного смещения. Когда вы смотрите на объекты все дальше и дальше, вы видите все большее количество красного смещения ³ .

  В обсуждении в ответе выше, это - структура относительных положений в линиях, которая зависит от температуры CMBR во время поглощения, а не от степени смещения линий.

  <sup>1 Если говорить технически, эта точка находится в точке где указывает величину сдвига, положительную для красных смещений (удаляясь) и отрицательную для синих (приближающихся). Более подробное обсуждение этой темы (включая точное определение ) можно найти здесь . $z=0$$z$$z$
  2 Точка удвоения длины волны (деления частоты) находится на$z=1$
  3. Следует отметить, что, поскольку существует некоторая неопределенность в скорости, с которой расширяется Вселенная, красные смещения не относятся к точно известным расстояниям. Таким образом, астрономы и космологи редко ссылаются на расстояния до удаленных объектов в абсолютных единицах, скажем, световых лет или парсек.предпочитая, скорее, использовать величину наблюдаемого красного смещения ( упомянутый выше).$z$</sup>

  Механизм красного смещения заключается не в том, что сами фотоны изменяются, а в том, что само пространство, через которое проходят электромагнитные волны, расширяется. (Фотоны являются и частицами, и волнами; нет, это не совсем интуитивно понятно.) Это постоянное растяжение пространства растягивает длину волны света, вызывая как эффект красного смещения, так и увеличение красного смещения данного фотона во времени.

  
  Дуглас Хофштадтер, CC A-SA 3.0
   

• Как красное смещение связано с CMBR?

  В комментариях Alchimista спросил: "Разве CMBR на самом деле не квинтэссенция красного смещения в любом случае?"
  (Я предполагаю, что вы используете общее, а не космологическое значение «квинтэссенции»)

  Да, текущая температура CMBR (3 K), как обычно считается, является результатом относительно высокоэнергетических фотонов (3000 K), испущенных примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, чьи длины волн были растянуты с течением времени в результате расширения Вселенной в направлении красный (то есть более холодный или низкоэнергетический) конец спектра. Это расширение было сделано Hubble et al. из наблюдения, что меньшие и более тусклые галактики (как видно с Земли) имеют больший сдвиг в своих спектрах. Чем дальше видимое расстояние, тем больше наблюдаемый сдвиг. Используя это видимое коррелированное по расстоянию красное смещение, мы можем сделать выводчто Вселенная была меньше в прошлом и, следовательно, более плотная при более высокой температуре для CMBR. На основании наблюдаемых красных смещений далеких галактик мы можем затем определить, но не напрямую измерить, какая температура CMBR была на каждом расстоянии.

  То, что сделали авторы вышеупомянутой статьи, было прямым измерением температуры CMBR в определенное время в прошлом. Измеренная температура выше, чем сегодня, что подразумевает более плотную и, следовательно, меньшую Вселенную. Далее исследователи обнаружили, что температура, измеренная непосредственно, точно соответствует температуре, полученной из наблюдаемого красного смещения исследуемой галактики.

  Короче говоря, цепочка выводов поменялась местами:

  • Для обоснования, основанного на смещении красного:
    увеличение красного смещения с видимым расстоянием (измеряется непосредственно) ⇒ Расширение ⇒ Более плотная Вселенная в прошлом ⇒ Более высокая температура CMBR в прошлом.
  • Для непосредственного измерения температуры в прошлом (как в этой статье): более
    высокая температура CMBR в прошлом (измеренная непосредственно) ⇒ более плотная Вселенная в прошлом ⇒ расширение ⇒ наблюдаемое красное смещение.
     

  Эти две цепочки логических выводов, основанные на различных наборах доказательств, аккуратно дополняют и поддерживают друг друга.

  Следует отметить, что CMBR был создан не расширением (по крайней мере, не напрямую), а расширением, которое объясняет его текущую температуру и однородность. Согласно теории Большого взрыва, ранняя вселенная была очень плотной; настолько плотный и горячий, что вся материя была плазмой субатомных частиц, непрозрачных для фотонов. Примерно через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная охладилась (благодаря расширению) настолько, что протоны и электроны могли объединиться в нейтральный водородный газ (который является прозрачным). CMBR - это свет, который был выпущен в это время и с тех пор охлаждается.

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

В истории были предложены альтернативные теории, такие как гипотеза уставшего света , вселенная устойчивого состояния и т. Д. Но наблюдение исключило эти и другие теории .

Смотрите также Альтернативная космология

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

Еще одно косвенное доказательство, 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 в нашем районе. Вы в значительной степени вынуждены объяснить это с научной точки зрения, сказав, что вселенная началась примерно в 10 миллиардов лет назад и что звезды и галактики только начали формироваться. (Это не является доказательством Большого взрыва, но исключает большинство его альтернатив. Например, модель Steady State фальсифицирована.) Очень трудно объяснить то, что мы видим, кроме как из-за расширения вселенной. из горячего плотного состояния ок. 10 ¹⁰ лет назад.

Более косвенные данные получены из Общей теории относительности, теории пространства, времени и гравитации, которая очень хорошо проверена - она ​​была проверена в течение столетия и оспаривается бесчисленными другими теориями, и только GR прошла все экспериментальные испытания. GR твердо предсказывает, что статическая вселенная невозможна и что она должна расширяться или сжиматься. Это косвенное свидетельство в основном локальных экспериментов.

Еще более косвенные данные получены в результате расчетов нуклеосинтеза, которые показывают, что отношения H / He / Li, которые мы наблюдаем в самых старых и наименее развитых звездах, это именно то, что мы предсказываем, основываясь на применении измеренных свойств ядер к огненному шару Большого Запада.

Существует так много науки, кроме красных смещений, которые указывают на расширение вселенной от первоначального очень горячего, плотного состояния, что даже без наблюдения красных смещений мы в конечном итоге были бы вынуждены сделать такой вывод.

$z$$(1+z)$

$1$

Обратите внимание, что это не проверка расширяющейся Вселенной, а только галактик, удаляющихся друг от друга. Если бы Вселенная была статичной, но галактики перемещались в пространстве, вы бы наблюдали процессы, расширенные одним и тем же фактором, как и предсказывалось специальной теорией относительности. Однако есть и другие доказательства того, что галактики не движутся в статическом пространстве, а лежат более или менее в расширяющемся пространстве.

Да:

1. Распределение данных сверхновых 1a
2. WMAP измерения CMB
3. Слоан Галактическое небесное обозрение (каталог галактик)

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

Хорошо, этот ответ включает в себя красные сдвиги, но выслушайте меня.

В Общей теории относительности множество механизмов могут создавать красные смещения: расширение пространства, объекты, движущиеся относительно наблюдателя (то есть нас), и свет, хорошо выходящий из гравитации. Последний вариант выходит за рамки этого вопроса, а первый исключается из рассмотрения по запросу опрашивающего. Это оставляет только второй вариант (относительное движение, или релятивистский эффект Доплера) на рассмотрении; это смещение может быть (и было проверено) здесь, на Земле, и было доказано, что оно существует.

$z=0.5$$z>1$$z=11.09$

Учитывая, что ни один объект, имеющий массу, не может достичь скорости света, ясно, что наблюдаемые красные смещения не могут быть вызваны релятивистским движением. Поскольку за пределами трех перечисленных выше не существует известных механизмов, которые могли бы вызвать красные смещения в спектрах (сравните вымирание ), единственное объяснение, соответствующее этим наблюдениям, - это расширение пространства. Короче говоря, тот факт, что сверхсветовые красные смещения наблюдаются вообще , свидетельствует о расширении пространства.