Das Ausmaß des Kosmos ist es schwer vorstellbar und noch schwerer ist es, genau. Aber Dank der genialen Vermutungen Physiker, denken wir, dass das gut vorstellen, wie groß der Kosmos ist. «Gehen wir ein paar Schritte durch das Universum», — diese Einladung machte der amerikanische Astronom Harlow Shapley vor Live-Publikum in Washington, District of Columbia, im Jahr 1920. Er beteiligte sich an der sogenannten Großen der Diskussion, widmet sich den Maßstäben des Universums, zusammen mit einem Kollegen Хибером Curtis.
Die Shapley glaubte, dass unsere Galaxie, die Milchstraße war 300 000 Lichtjahre im Durchmesser. Das ist dreimal mehr, als man glaubt jetzt, aber für die damaligen Messungen waren Recht gut. Insbesondere, er berechnet in der Regel die richtigen proportional zu den Entfernungen innerhalb der Milchstraße — unserer Position der Sonne relativ zum Zentrum der Galaxie, zum Beispiel.
Anfang des 20 Jahrhunderts, allerdings 300 000 Lichtjahre schien vielen Zeitgenossen die Shapley irgendwie absurd großen Zahl. Doch der Gedanke, dass andere Spiralgalaxien wie der Milchstraße — die in den Teleskopen zu sehen waren — waren die gleichen großen, überhaupt nicht ernst genommen.
Ja und selbst die Shapley glaubte, dass die Milchstraße sollte etwas besonderes sein. «Auch wenn die Spiralen sind stars, Sie sind nicht vergleichbar in der Größe mit unserem Sterne-System», sagte er seinen Zuhörern.
Curtis nicht stimmte. Er dachte, und es war richtig, dass im Universum es gibt noch viele andere Galaxien verstreut wie unsere eigene. Aber sein Ausgangspunkt war die Annahme, dass die Milchstraße war viel kleiner als die Shapley schätzte. Nach den Berechnungen von Curtis, die Milchstraße war nur 30 000 Lichtjahre im Durchmesser — oder dreimal weniger, als zeigen die modernen Berechnungen.
Dreimal so groß, dreimal weniger — es geht um solche großen Entfernungen, das ist durchaus verständlich, dass die Astronomen, размышлявшие zu diesem Thema vor hundert Jahren, könnte also falsch sein.
Heute sind wir ziemlich sicher, dass die Milchstraße irgendwo zwischen 100 000 und 150 000 Licht-Jahre zu vermitteln. Beobachtbaren Universums, natürlich, намнооооооого mehr. Glauben, dass Sie einen Durchmesser von 93 Milliarden Lichtjahren. Aber was lässt dich das denken? Wie kann man Messen, was ist mit der Erde?
Seitdem, wie Kopernikus sagte, dass die Erde nicht das Zentrum des Sonnensystems, wir immer nur mit Mühe abschreiben unsere Vorstellungen über das, was ist das Universum — und vor allem wie groß es sein kann. Auch heute noch, wie wir sehen werden, sammeln wir neue Beweise über die Tatsache, dass ein ganzes Universum kann so viel mehr sein, als wir dachten erst kürzlich.
Caitlin Casey, Astronom von der University of Texas in Austin, studiert das Universum. Sie sagt, dass die Astronomen haben ein Reihe von cleveren Werkzeugen und Systemen Messen, zu zählen, die nicht nur Abstand von der Erde bis zum anderen Körpern in unserem Sonnensystem, sondern auch die Abgründe zwischen den Galaxien und sogar bis zum Ende des beobachtbaren Universums.
Schritte zum Maß des ganzen durch die Skala der Entfernungen in der Astronomie. Die erste Stufe dieser Skala ist Recht einfach und heutzutage setzt auf moderne Technologien.
«Wir können nur reflektieren die Funkwellen vom nächsten Planeten im Sonnensystem, wie Venus und mars, und die Zeit Messen, die benötigt werden damit die Wellen, um zur Erde zurückzukehren, sagt Casey. — Messung, so werden sehr präzise».
Große Radioteleskope wie Arecibo in Puerto Rico können die Arbeit machen — aber Sie sind auch in der Lage mehr. Arecibo, zum Beispiel, kann die Entdeckung von Asteroiden Fliegen um unseres Sonnensystems und sogar erstellen Sie Bilder, je nachdem, wie die Radiowellen reflektiert von der Oberfläche des Asteroiden.
Aber verwenden Funkwellen für die Messung von Entfernungen außerhalb unseres Sonnensystems unpraktisch. Die nächste Stufe in diesem Raum-Skala ist die Messung der Parallaxe. Wir tun es ständig, ohne es zu merken. Leute, wie viele Tiere intuitiv erkennen den Abstand zwischen sich und den Elementen, dadurch, dass wir zwei Augen haben.
Wenn Sie halten Sie das Objekt vor sich — die Hand, zum Beispiel — und sehen Sie ihn an einem offenen Auge und dann wechseln auf das andere Auge, Sie sehen, wie Ihre Hand leicht verschoben. Dies nennt man Parallaxe. Den Unterschied zwischen diesen beiden Beobachtungen kann für die Bestimmung der Entfernung zum Objekt.
Unser Gehirn macht es auf Natürliche Weise mit den Informationen aus beiden Augen, und die Astronomen tun das gleiche mit den nächsten Sternen, nur mit Hilfe der anderen Sinne: Teleskope.
Stellen Sie sich vor, dass im Weltraum schwebt zwei Augen, auf beiden Seiten von unserer Sonne. Dank der Umlaufbahn der Erde, haben wir diese Augen, und beobachten wir auch eine Verschiebung der Sterne in Bezug auf Objekte im hintergrund, mit dieser Methode.
«Wir Messen die Position der Sterne am Himmel, sagen wir, im Januar, und dann warten wir sechs Monate Messen und der gleichen Position der Sterne im Juli, wenn wir auf der anderen Seite der Sonne», sagt Casey.
Dennoch gibt es eine Schwelle, jenseits derer die Objekte bereits so weit — rund 100 Lichtjahre — was die beobachtete Verschiebung zu klein, um nützlich Berechnung. In diesem Bereich werden wir noch weit vom Rand unserer eigenen Galaxie.
Der nächste Schritt — Installation auf der Hauptreihe. Er stützt sich auf unsere Kenntnisse, wie die Sterne in einer bestimmten Größe — auch bekannt als die Sterne der Hauptreihe — im Laufe der Zeit entwickeln.
Erstens, Sie verändern Ihre Farbe mit zunehmendem Alter immer röter. Präzise Messung Ihrer Farbe und Helligkeit, und danach vergleicht man dies mit der Tatsache, dass wissen über die Entfernung bis zu den Sternen der Hauptreihe, die mit dieser Methode gemessen werden тригонометрического Parallaxe, können wir bewerten Position diese, mehr Fernen Sternen.
Das Prinzip, das die Grundlage dieser Berechnungen besteht darin, dass die Sterne eine Masse und Alter scheinen uns gleich hell, ob befanden sich im gleichen Abstand von uns. Aber da dies oft nicht der Fall, können wir den Unterschied in den Messungen, um herauszufinden, wie weit Sie wirklich sind.
Die Sterne der Hauptreihe, die für diese Analyse verwendet werden, gelten als eine der Arten von «Standard-Kerzen» — Körper, die Größe (oder Leuchtkraft) können wir mathematisch berechnen. Diese Kerzen sind verstreut über den ganzen Kosmos und vorhersehbar Leuchten auf den Erdboden. Aber die Sterne der Hauptreihe sind nicht die einzigen Beispiele.
Ein Verständnis dafür, wie Helligkeit verbunden mit der Entfernung, ermöglicht es uns, zu verstehen Entfernungen bis zu noch weiter entfernten Objekte — wie Sterne in anderen Galaxien. Ansatz wie mit der Haupt-Sequenz nicht funktioniert, weil das Licht dieser Sterne, die Millionen Lichtjahre von uns entfernt, wenn nicht noch mehr — es ist schwierig, genau zu analysieren.
Aber im Jahre 1908 Wissenschaftler namens Henrietta Swan Ливитт von der Harvard-Universität hat eine fantastische Entdeckung, die helfen uns zu Messen und diese enorme Distanz. Swan Ливитт erkannte, dass es eine Besondere Klasse von Sternen — Cepheiden.
«Sie bemerkte, dass eine bestimmte Art von Stern ändert seine Helligkeit im Laufe der Zeit, und das ändern der Helligkeit, in dieser Schwankung der Sterne, direkt damit zusammenhängt, wie Sie von Natur aus helle», sagt Casey.
Mit anderen Worten, mehr als der hellste Stern Cepheiden-Klasse wird das «pulsieren» langsamer (über viele Tage), als schwächerer цефеида. Da die Astronomen können Sie sehr einfach Messen Sie den Puls Cepheiden, können Sie sagen, wie ein heller Stern. Dann, zu beobachten, wie hell es scheint uns, können Sie berechnen Sie die Distanz.
Dieses Prinzip ähnelt dem Ansatz mit der Reihenfolge in dem Sinne, dass der Schlüssel ist die Helligkeit. Wichtig ist jedoch, dass der Abstand auf verschiedene Weise gemessen werden können. Und je mehr Möglichkeiten, Messungen wir haben, desto besser können wir verstehen, die wahre Maßstab unserer kosmischen Hinterhöfe.
Es war die Entdeckung dieser Sterne in unserer eigenen Galaxis überzeugt hat Harlow Shapley in Ihrem größten Umfang.
In den frühen 1920er Jahren von Edwin Hubble fand Cepheiden in der nächsten Andromeda-Galaxie und Schloss, dass es nur eine Million Lichtjahre von uns entfernt.
Heute, nach unseren besten Schätzungen, die in diese Galaxie 2,54 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Also, Hubble habe mich geirrt. Aber es ist nicht im geringsten mindert nicht seine Verdienste. Weil wir immer noch versuchen, berechnen Sie die Entfernung zum Andromeda. 2,54 Millionen Jahre ist eine Zahl, in der Tat, ist das Ergebnis relativ zu den letzten Berechnungen.
Auch jetzt Maßstab des Universums ist schwer vorstellbar. Können wir es nicht einfach dabei belassen, und sehr gut, aber, um ehrlich zu sein, genau zu berechnen die Abstände zwischen den Galaxien sehr schwierig. Das Universum ist unglaublich groß. Und unsere Galaxie ist nicht begrenzt.
Hubble Maß auch die Helligkeit explodierende weiße Zwerge — Supernovae des Typs 1A. Man sieht in einer ziemlich Fernen Galaxien, Milliarden von Lichtjahren von uns. Da diese Helligkeit Berechnungen lässt sich berechnen, können wir bestimmen, wie Sie weit entfernt sind, wie wir es getan haben mit цефеидами. Supernovae Typ 1A und Cepheiden — Beispiele von dem, was Astronomen nennen die Standard-Kerzen.
Es gibt ein weiteres Merkmal des Universums, die uns helfen kann, die Messen wirklich große Entfernungen. Diese Rotverschiebung.
Wenn die Sirene Krankenwagen oder Polizeiauto jemals Prozession an Ihnen vorbei, Sie sind vertraut mit dem Doppler-Effekt. Wenn sich der Krankenwagen nähert, schriller Sirene ertönt, und wenn gelöscht wird, wird die Sirene wieder nachlässt.
Das gleiche passiert mit den Wellen des Lichtes, nur im kleineren Maßstab. Speichern wir diese änderung, analysieren das Spektrum des Lichts von entfernten Tel. In diesem Spektrum werden die dunklen Linien, weil jede einzelne Farbe absorbiert Elemente in der Quelle des Lichtes und um ihn herum — Oberfläche von Sternen, zum Beispiel.
Je weiter Objekte von uns entfernt sind, desto weiter in Richtung der roten Ende des Spektrums verschoben werden diese Linien. Und dies nicht nur, weil die Objekte weit entfernt von uns, und weil Sie noch entfernt von uns im Laufe der Zeit, Dank der Expansion des Universums. Und die Beobachtung der Rotverschiebung des Lichts von Fernen Galaxien, eigentlich bietet uns der Beweis, dass das Universum wirklich expandiert.
Kartik Шет, ein Wissenschaftler von NASA, bietet eine solche Analogie: platzieren Punkte auf der Oberfläche des Ballon — von denen jeder Galaxie vertreten wird — und dann den Ballon aufblasen. Im Zuge der Expansion des Gummis, der Abstand zwischen den Punkten auf der Oberfläche erhöht. «Während das Universum expandiert, jede Galaxie entfernt sich von den anderen. Normalerweise Welle sollte die gleiche Frequenz, auf der er war zurückgewiesen, aber jetzt ist der Raum-Zeit selbst dauerte, so dass die Welle wurde scheinen länger».
Je schneller eine Galaxie von uns entfernt ist, desto weiter muss Sie sein — und desto größer ist die Rotverschiebung können wir erkennen im Licht, nachdem es auf den Boden. Wieder, genau Edwin Hubble entdeckte einen proportionalen Zusammenhang zwischen seiner цефеидами in Fernen Galaxien und die Tatsache, wie viel Licht von diesen Galaxien hat eine Rotverschiebung.
Und jetzt ist der Schlüssel zu unserem Rätsel. Die starke Rotverschiebung des Lichts, die wir im beobachtbaren Universum entdecken, zeigt, dass das Licht ging uns aus Galaxien, die 13,8 Milliarden Jahre.
Denn es ist das älteste Licht, das wir herabgesandt haben, ist es auch uns erlaubt, zu Messen das Alter des Universums selbst.
Aber in den letzten 13,8 Milliarden Jahren das Universum ständig erweitert — und anfangs Tat es sehr schnell. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache, die Astronomen kamen zu dem Schluss, dass die Galaxien am Rande des beobachtbaren Universums, deren Licht ging an uns 13,8 Milliarden Jahre alt ist, sollte bei 46,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt.
Dies ist der Radius des beobachtbaren Universums. Multiplizieren Sie diesen Wert und erhalten Durchmesser: 93 Milliarden Lichtjahre. Diese Zahl stützt sich auf eine Vielzahl von anderen Messungen und wissenschaftlichen Untersuchungen, und es ist der Höhepunkt von Jahrhunderten der Arbeit. Aber wie sagt Casey, die Einschätzung der Turm ist sehr rustikal, ein wenig.
Einerseits, angesichts der Komplexität einiger der ältesten Galaxien, die wir entdecken können, ist unklar, wie konnten Sie sich so schnell nach dem Urknall. Vielleicht haben einige unsere Berechnungen falsch sind.
«Wenn eine der Stufen der Skala astronomischen Entfernungen falsch auf 10%, dann werden auch andere irren, weil Sie stützen sich gegenseitig», sagt Casey.
Die Dinge werden noch komplizierter, wenn wir versuchen, über das Universum nachzudenken, die jenseits des beobachteten. Über die «ganze» des Universums. Je nachdem, welche Theorie Ihnen mehr nach der Seele, ein ganzes Universum kann endlich oder unendlich ist.
Vor kurzem Mihran Vardanyan und seine Kollegen von der Universität Oxford in Großbritannien analysierten die bekannten Daten über die Objekte im beobachtbaren Universum, um zu sehen, was Sie können, um von diesen Kenntnissen über die Form des ganzen Universums. Die Ergebnisse führten zu neuen Schätzungen: ein ganzes Universum das 250-fache beobachtet.
Können wir nie zu sehen diese weit entfernten Bereich. Aber beobachtbaren Universums reicht den meisten von uns. Für Wissenschaftler wie Casey und Шета es unendlich ist erstaunlich.
«Alles, was wir über das Universum gelernt haben — über die Tatsache, wie groß ist Sie, wie erstaunlich die Objekte darin — wir haben einfach gesammelt, diese Photonen des Lichtes, die durch Millionen und Abermillionen von Lichtjahren, um in unsere Detektoren und Kameras und sterben», sagt Шет.
«Es ist demütigend, sagt Casey. — Die Astronomie hat uns gezeigt, dass wir nicht im Zentrum des Universums, wir sind sogar nicht in der Mitte unseres Sonnensystems oder der Galaxie».
Eines Tages werden wir klettern so weit in das Universum, und was schwer vorstellbar. Momentan können wir nur zusehen. Aber auch nur Zuschauen können unendlich weit.
Es dauerte viele Jahre, aber jetzt wissen wir die Größe des Universums
Ilja Hel