Uitdying van die heelal

Vir die vinnige uitsetting van die heelal net ná die Oerknal, sien Inflasie (kosmologie).

Die metriese uitdying of uitsetting van die heelal is die toename in die grootte van die heelal en dus ook in die afstand tussen twee verafgeleë dele daarvan. Dit is egter net op uiters groot voorwerpe van toepassing (sterrestelselswerms en groter) omdat kleiner voorwerpe deur swaartekrag na mekaar toe aangetrek word en nie teen die metriese uitdyingstempo wegbeweeg namate die heelal ouer word nie.

Volgens metings het die heelal se uitdyingstempo afgeneem tot sowat 5 miljard jaar gelede vanweë die swaartekragwisselwerking tussen die materie in die heelal; daarna het dit begin versnel. Om dié versnelling te verduidelik, het fisici die bestaan van donker energie voorgestel, wat in die mees eenvoudige teoretiese modelle lyk of dit ’n kosmologiese konstante is.

Terwyl spesiale relatiwiteit bepaal dat voorwerpe in die heelal nie vinniger as die ligsnelheid met betrekking tot mekaar kan beweeg as hulle in ’n plaaslike, dinamiese verhouding is nie, plaas dit geen teoretiese beperkings op die relatiewe beweging tussen twee voorwerpe wat te ver van mekaar geleë is om mekaar te beïnvloed nie. Dit is dus moontlik dat twee voorwerpe verder van mekaar verwyder is as wat lig sal kan beweeg. Dit beteken dat as die uitdying konstant bly, die twee voorwerpe mekaar nooit sal kan beïnvloed nie. Sterrestelsels wat byvoorbeeld verder as sowat 4,5 miljard parsek van ons af is, beweeg vinniger as die ligsnelheid van ons af weg. Ons kan sulke voorwerpe nog sien omdat die heelal in die verlede stadiger uitgedy het as vandag, en dus kan die lig van miljarde jare gelede wat van hulle af kom, ons steeds bereik. As die uitdying egter onverminderd voortduur, sal daar nooit ’n tyd aanbreek dat ons die lig van die voorwerp sal sien wat dit vandag uitstraal nie omdat die ruimte self tussen die aarde en die voorwerp vinniger toeneem as wat enige lig kan beweeg.

Vanweë die vinnige uitdying van die heelal is dit ook moontlik dat die afstand tussen twee voorwerp groter kan wees as die waarde van die ligsnelheid vermenigvuldig met die ouderdom van die heelal. Hierdie feite is dikwels ’n bron van verwarring vir sowel amateurs as professionele fisici.^[1]

Om die metriese uitdying van die heel te verstaan, moet verstaan word wat ’n metriek is en hoe metriese uitdying werk.

’n Metriek bepaal hoe ’n afstand tussen twee nabygeleë punte in die ruimte gemeet kan word in terme van die koördinaatstelsel. Koördinaatstelsels bepaal punte in ruimte (ongeag die getal dimensies) deur spesifieke posisies, bekend as koördinate, op ’n rooster aan elke punt toe te ken. Die metriek is dan ’n formule wat beskryf hoe verplasing deur die betrokke ruimte verwerk kan word tot afstande.

As voorbeeld kan die meting van die afstande tussen twee plekke op aarde geneem word. Dit is ’n eenvoudige, bekende voorbeeld van sferiese meetkunde (die meetkunde van ’n tweedimensionele oppervlak van ’n sfeer). Omdat die oppervlak van die aarde tweedimensioneel is, kan punte op die oppervlak bepaal word deur twee koördinate – byvoorbeeld die lengte- en breedtegraad.

Die bepaling van ’n metriek vereis dat ’n mens eers die koördinate wat gebruik word, bepaal. In ons eenvoudige voorbeeld van die oppervlak van die aarde kan ons enige koördinaatstelsel kies wat ons wil, byvoorbeeld lengte- en breedtegraad of X-Y-Z, die Cartesiese koördinaatstelsel. Sodra ons ’n spesifieke koördinaatstelsel gekies het, word die numeriese waardes van die koördinate van enige twee punte bepaal en, gebaseer op die eienskappe van die spesifieke ruimte, word die toepaslike metriek wiskundig bepaal. Op die gekromde oppervlak van die aarde is dié effek duidelik in langafstand-vlugte waar die afstand tussen twee punte gemeet word gebaseer op die grootsirkel, eerder as die reguit lyne op ’n tweedimensionele kaart van die aarde se oppervlak.

Kort afstande word gewoonlik geodete genoem. In Euklidiese meetkunde is ’n geodeet ’n reguit lyn, terwyl dit in nie-Euklidiese meetkunde, soos die aarde se oppervlak, nie die geval is nie. Die kortste-afstand-grootsirkelroete is altyd langer as die Euklidiese reguitlynroete wat deur die binnekant van aarde loop. Die verskil tussen die reguitlynroete en die kortste-afstand-grootsirkelroete is vanweë die kromming van die aarde se oppervlak. Op kort afstande is dié verskil minder opmerklik.

In differensiële meetkunde kan ’n metriese tensor bepaal word – wat die ruimte wat beskryf word, presies kan karakteriseer deur die manier te verduidelik waarop afstande in elke moontlike rigting gemeet moet word. Algemene relatiwiteit roep noodwendig ’n metriek in vier dimensies op (drie in ruimte en een in tyd) omdat verskillende verwysingsraamwerke gewoonlik verskillende intervalle van tyd en ruimte sal ondervind, na gelang van die inersiestelsel.

Dit beteken die metriese tensor in algemene relatiwiteit bepaal presies hoe twee gebeurtenisse in ruimtetyd geskei is. ’n Metriese uitdying vind plaas wanneer die metriese tensor met tyd verander (en veral wanneer die ruimtelike deel van die metriek groter word namate tyd verloop). Hierdie soort uitdying verskil van alle soorte uitsettings en ontploffings in die natuur omdat tye en afstande nie dieselfde is in alle verwysingsraamwerke nie. ’n Nuttige benadering is om die voorwerpe te beskou as dat hulle wegbeweeg in ’n "leegheid", omdat die ruimte tussen voorwerpe self groei sonder die versnelling van die voorwerpe self. Die ruimte tussen voowerpe groei en krimp namate die verskeie geodete saamkom of uiteenloop.

Omdat hierdie uitdying veroorsaak word deur relatiewe veranderings in die afstandbepalende metriek, word die uitdying (en die gevolglike wegbeweging van voorwerpe) nie beperk deur die ligsnelheidsgrens van spesiale relatiwiteit nie. Twee verwysingspunte wat ver van mekaar geleë is, kan vinniger van mekaar wegbeweeg as die ligsnelheid sonder om die grense van spesiale relatiwiteit te oorskry.

Volgens teorieë en waarnemings was daar vroeg in die geskiedenis van die heelal ’n kosmiese inflasie waar die metriek vinnig verander het, en die oorblywende tydafhanklikheid van hierdie metriek is wat ons waarneem as die sogenaamde uitdying van Hubble, die wegbeweeg van alle swaartekrag-ongebonde voorwerpe in die heelal. Die uitdyende heelal is dus ’n basiese eienskap van die heelal – ’n heelal wat fundamenteel verskil van die statiese heelal wat Albert Einstein aanvanklik oorweeg het toe hy sy swaartekragteorie ontwikkel het.

In die uitdyende heelal is ware afstande dinamiese eienskappe wat met tyd verander. ’n Maklike manier om dit reg te stel is om saambewegende koördinate te gebruik wat dié eienskappe buite rekening laat en verskillende liggings bepaal sonder inagneming van metriese uitdying. Met saambewegende koördinate is die afstand tussen alle voorwerpe vasgestel en word die dinamika van materie en lig bepaal deur die normale wette van swaartekrag en elektromagnetiese straling. Daar moet egter vir enige tydsevolusie voorsiening gemaak word deur die Hubble-wet-uitdying in aanmerking te neem asook ander invloede wat van krag kan wees (swaartekrag, donker energie of kromming).

In beginsel kan die uitdying van die heelal gemeet word deur ’n liniaal te neem en die afstand tussen twee punte te meet, ’n sekere tyd te wag en weer die afstand te meet. In die praktyk is daar nie sulke groot liniale nie en die tyd wat dit sal neem om ’n bevredigende mate te kry, sal oor verskeie geslagte mense strek. Die uitdying van die heelal word dus onregstreeks gemeet. Die relatiwiteitsteorie voorspel verskynsels wat met die uitdying verband hou, soos die verhouding tussen rooiverskuiwing en afstand, bekend as die Wet van Hubble; vorme van afstandmeting in die heelal wat verskil van wat ’n mens sou verwag as die heelal nie groter geword het nie ensovoorts.

Die eerste meting van die uitdying van die heelal het plaasgevind met die skepping van die Hubble-diagram. Dit is gemeet deur gebruik te maak van rooiverskuiwing om Hubble se konstante te verkry: H₀ = 67,15 ± 1,2 (km/s)/Mpk. Vir elke afstand van ’n miljoen parsek vanaf die waarnemer, neem die uitdyingstempo toe met sowat 67 km per sekonde.^[2][3][4]

Hubble se konstante word nie as werklik konstant met tyd beskou nie. Daar is dinamiese kragte wat op deeltjies inwerk wat die uitdyingstempo beïnvloed. Daar is vroeër verwag die Hubble-konstante sal mettertyd afneem vanweë die invloed van swaartekragwisselwerkings in die heelal, en daar is dus ’n bykomende waarneembare grootheid in die heelal bekend as die vertragingsparameter, wat sterrekundiges vermoed het regstreeks verwant is aan die materiedigtheid van die heelal. Die vertragingsparameter is egter deur twee verskillende groepe gemeet as minder as nul (eintlik deurgaans −1), wat daarop dui dat die Hubble-konstante toeneem namate tyd verloop. Die Nobelprys vir Fisika is in 2011 toegeken vir die ontdekking van dié verskynsel.^[5]

Twee maniere om na die sigbare heelal te kyk oor die grootste deel van sy bestaan – dit wys hoe ’n ligstraal (rooi lyn) in net 13 miljard jaar van kosmologiese tyd ’n afstand van 28 miljard ligjare (oranje lyn) kan aflê. Klik op die beelde om dit te vergroot. (Wiskundige besonderhede)

Volgens kosmologiese skale is die huidige heelal plat, dit wil sê die reëls van die Euklidiese meetkunde wat verbind word met die parallelleveronderstelling, geld. In die verlede kon ruimtetyd egter in ’n groot mate geboë gewees het. Deels om sulke verskillende idees te huisves, is die uitdying van die heelal in wese algemeen relativisties; spesiale relatiwiteit alleen kan nie vir ’n model gebruik word nie.

Die illustrasies regs wys ruimtetyd-diagramme wat die grootskaalse meetkunde van die heelal volgens die ΛCDM-model op twee maniere aandui. Twee van die dimensies van die heelal is uitgelaat, en daar is dus een dimense van ruimte (die dimensie wat groei namate die keël groter word) en een van tyd (die dimensie wat met die keël se oppervlak "opbeweeg"). Die nou, ronde punt van die diagram stel ’n kosmologiese tyd van 700 miljoen jaar ná die Oerknal voor, en die wye deel ’n kosmologiese tyd van 18 miljard jaar. ’n Mens kan hier die begin van die vinniger uitdying sien as die uitspreiding van ruimtetyd, ’n eienskap wat in dié model oorheersend is. Die pers lyne van die ruitenet is die kosmologiese tyd met tussenposes van ’n miljard jaar vanaf die Oerknal. Die cyan lyne van die ruimtenet is saambewegende afstande met tussenposes van ’n miljard ligjare in die huidige era (minder in die verlede en meer in die toekoms). Die ronde krulling van die oppervlak is net om die diagram te illustreer; die ruimte krul nie werklik om homself nie.

Die bruin lyn in die diagram is die wêreldlyn van die aarde (of, vroeër, van die materie waaruit die aarde gevorm het). Die geel lyn is die wêreldlyn van die mees verafgeleë bekende kwasar. Die rooi lyn is die pad van ’n ligstraal wat die kwasar sowat 13 miljard jaar gelede uitgestraal het en tans die aarde bereik. Die oranje lyn wys die huidige afstand tussen die kwasar en die aarde, sowat 28 miljard ligjare, wat merkbaar ’n groter afstand is as die ouderdom van die heelal vermenigvuldig met die ligsnelheid: ct.

Volgens die ekwivalansiebeginsel van algemene relatiwiteit is die reëls van spesiale relatiwiteit plaaslik geldig in klein streke van ruimtetyd wat min of meer plat is. Lig beweeg plaaslik altyd teen spoed c; in ons diagram beteken dit, volgens die konvensie van die samestelling van ruimtetyddiagramme, dat ligstrale altyd ’n hoek van 45° met die plaaslike lyne van die ruimtenet vorm. Dit beteken egter nie lig beweeg ’n afstand van ct in ’n tyd t, soos die rooi wêreldlyn voorstel, nie. Terwyl die lig altyd plaaslik teen c beweeg, is die tyd wat dit beweeg (sowat 13 miljard jaar) nie verwant aan die afstand wat dit op ’n eenvoudige manier afgelê het nie, aangesien die heelal uitdy terwyl die ligstraal deur ruimte en tyd beweeg. Die afstand wat dit aflê, is eintlik inherent onduidelik vanweë die veranderende skaal van die heelal. ’n Mens kan egter twee afstande uitsonder wat lyk of hulle fisies betekenisvol is: die afstand tussen die aarde en die kwasar toe die lig uitgestraal is, en die huidige afstand tussen hulle. Die eersgenoemde afstand is sowat 4 miljard ligjare, baie kleiner as ct omdat die heelal uitgebrei het terwyl die lig die afstand beweeg het. Die lig het dus verder beweeg as die aanvanklike afstand tussen die aarde en die kwasar. Die laasgenoemde afstand (die oranje lyn) is sowat 28 miljard ligjare, veel groter as ct. As die uitdying vandag skielik stopgesit kan word, sal dit lig 28 miljard jaar neem om die afstand tussen die aarde en die kwasar te beweeg. As die uitdying stopgesit is toe ligstraal aanvanklik uitgestraal is, sou dit net 4 miljard jaar geneem het.

Dus het die ligstraal van die kwasar af veel langer as 4 miljard jaar geneem om die aarde te bereik, hoewel dit op ’n afstand van 4 miljard ligjare van die aarde af uitgestraal is. Die lig het eintlik aanvanklik "weg" van die aarde af beweeg in die sin dat die metriese afstand na die aarde toe vir die eerste paar miljard jaar van sy beweegtyd toegeneem het met kosmologiese tyd, en dit wys ook die uitdying van die ruimte tussen die aarde en die kwasar op die vroeër tyd was vinniger as die ligsnelheid. Geen van hierdie verrassende gedrag kan afgelei word uit ’n spesiale eienskap van metriese uitdying nie, maar bloot uit plaaslike beginsels van spesiale relatiwiteit wat oor ’n geboë oppervlak geïntegreer is.

Die ruimte wat die heelal uitmaak, dy mettertyd uit. Die woorde "ruimte" en "heelal" word dikwels as sinonieme gebruik, maar het in hierdie verband verskillende betekenisse. Ruimte is hier ’n wiskundige begrip wat dui op die driedimensionele variëteit wat ons waarneem, terwyl heelal verwys na alles wat bestaan, insluitende die materie en energie in ruimte, die ekstra dimensies wat opgesluit kan lê in verskillende snare asook die tyd waarin sekere gebeure plaasvind. Die uitdying van ruimte verwys hier slegs na die 3D-variëteit; dit behels dus nie strukture soos ekstra dimensies of ’n buitenste heelal nie.^[6]

Die uiteindelike topologie van ruimte hang af van dinge wat ons moet waarneem, en nie dinge wat ons kan uitredeneer nie. Huidige waarnemings dui daarop dat die heelal onbeperk en sonder vreemde vorms is. Ons begrip van die heelal word egter beperk deur kosmologiese horisonne. Die heelal kan onbeperk wees, of dit kan beperk wees; die getuienis wat lei tot die kosmiese inflasie-model van die vroeë heelal dui ook daarop dat die "algehele heelal" baie groter is as die waarneembare heelal. Enige kante of eksotiese vorms of topologieë sal dus nie regstreeks waarneembaar wees nie, want lig het nog nie sulke afmetings aangeneem dat sulke aspekte van die heelal, as hulle bestaan, in ag geneem kan word nie. Vir alle praktiese doeleindes is dit veilig om aan te neem die heelal is onbeperk in ruimte-omvang, sonder kante of vreemde vorms.^[7]

Die vraag waarheen die heelal uitbrei, het volgens die uitdyingsteorieë nie ’n antwoord nodig nie, ongeag die vorm van die heelal. Die manier waarop ons ruimte in ons heelal definieer, vereis nie ’n bykomende buitenste ruimte waarin dit kan uitdy nie. Al wat seker is, is dat die variëteit van ruimte waarin ons lewe die eienskap het dat die afstande tussen voorwerpe mettertyd groter word. Die voorstellings van ’n heelal wat as ’n borrel in die niet uitdy, is dus misleidend. Daar is geen rede om te glo daar is ’n ruimte buite die uitdyende heelal waarin die heelal kan uitdy nie.

Selfs as die algehele ruimte-omvang beperk is en die heelal dus nie "groter" kan word nie, sal ons steeds sê die heelal dy uit omdat die plaaslike afstand tussen voorwerpe toeneem.

Die uitdying van die heelal word soms beskryf as ’n krag wat voorwerpe uitmekaardruk. Hoewel dit ’n akkurate beskrywing is van die uitwerking van die kosmologiese konstante, is dit nie ’n akkurate prentjie van die verskynsel van uitdying in die algemeen nie. Vir ’n groot deel van die heelal se geskiedenis was die uitdying hoofsaaklik vanweë inersie of traagheid, die verskynsel dat ’n krag nodig is om ’n voorwerp van snelheid of rigting te laat verander. Die materie in die vroeë heelal het uitmekaargespat, om onbekende redes (heel moontlik vanweë kosmiese inflasie), en het dit eenvoudig bly doen, hoewel in ’n toenemend mindere mate vanweë die aantrekkingsuitwerking van swaartekrag.

Benewens die vertraging van die uitdying, veroorsaak swaartekrag ook dat materie in sterre en sterrestelsels saamkoek. Sodra voorwerpe gevorm en deur swaartekrag gebind word, beweeg hulle nie meer weg van mekaar nie. Binne ons Plaaslike Groep van sterrestelsels het swaartekragwisselwerkings daartoe gelei dat die stelsels in ’n groep bymekaarbly. Buite die Plaaslike Groep raak die uitdying meetbaar, maar al hoe groter dele van die heelal sal eindelik nie meer aan die Wet van Hubble voldoen nie en aan mekaar gebind raak tot op die skaal van superswerms. Ons kan sulke voorvalle voorspel aan die hand van die manier waarop die Wet van Hubble verander asook die massa van die voorwerpe waartoe ons deur swaartekrag aangetrek word. Ons Plaaslike Groep word tans aangetrek na óf die Shapley-superswerm óf die "Groot Aantrekker" waarmee ons eindelik sal saamsmelt as donker energie nie ’n rol speel nie.

Die situasie verander ietwat wanneer donker energie of ’n kosmologiese konstante in ag geneem word. ’n Kosmologiese konstante vanweë ’n vakuumenergiedigtheid het die effek dat dit ’n afstotende krag uitoefen op voorwerpe wat eweredig (nie omgekeer eweredig nie) aan afstand is. Anders as inersie "trek" dit eintlik aan voorwerpe wat saamgegroepeer is onder die invloed van swaartekrag, en selfs aan individuele atome. Dit het egter net ’n klein (onwaarneembare) invloed.

Namate die heelal uitdy en die materie minder dig raak, neem die swaartekragaantrekking af (aangesien dit eweredig aan digtheid is), terwyl die kosmologiese konstante toeneem; die eindelike lot van die ΛCDM-heelal is dan ’n amper-vakuum wat al hoe vinniger uitdy onder invloed van die kosmologiese konstante.

Die enigste waarneembare invloed (rooiverskuiwing) van die vinniger uitdying is die verdwyning van verafgeleë sterrestelsels. Swaartekraggebonde voorwerpe soos dié in die Melkweg beweeg nie weg van mekaar nie; die Andromeda-sterrestelsel, wat aan die Melkweg gebonde is, beweeg eintlik al hoe nader na ons toe totdat die twee stelsels oor ’n paar miljard jaar sal saamsmelt om een groter stelsel te vorm. Daar word verwag dat dié groter stelsel eindelik met die nabygeleë Virgo-sterrestelselswerm sal saamsmelt.

Op ’n basiese vlak is die uitdying ’n eienskap van ruimtemeting op die grootste meetbare skaal van die heelal. Die afstand tussen punte in die heelal neem mettertyd toe. Hierdie verskynsel kan voorgestel word deur ’n enkele parameter wat die skaalfaktor genoem word. Omdat die heelal uitdy, was die skaalfaktor in die verlede kleiner en sal dit in die toekoms groter wees. Terugwerkend in tyd, sou daar volgens sekere kosmologiese modelle ’n tydstip gewees het dat die skaalfaktor nul was; dit word bereken op 13,798 ± 0,037 miljard jaar gelede. As die heelal vir altyd bly uitdy, sal die skaalfaktor eindelik oneindigheid bereik. In beginsel is daar geen rede om te glo die heelal sal noodwendig al hoe vinniger uitdy nie; daar is modelle waarvolgens die skaalfaktor eindelik sal afneem, wat sal lei tot ’n inkrimping van die heel in plaas van ’n uitdying.

Teoretiese kosmoloë wat modelle van die heelal saamstel, maak gebruik van ’n paar redelike aannames. In dié modelle is metriese uitdying ’n waarskynlike eienskap van die heelal. Van die belangrikste beginsels vir modelle wat metriese uitdying insluit, is:

• Die Kosmologiese beginsel, wat bepaal dat die heelal in alle rigtings dieselfde lyk (isotropies) en rofweg dieselfde mengsel van materie het (homogeen).
• Die Koperniese beginsel, wat bepaal dat geen plek in die heelal belangriker as ’n ander plek is nie (dus dat die heelal geen "beginpunt" het nie).

Wetenskaplikes het omvattende toetse gedoen om vas te stel of hierdie aannames geldig en uit waarnemings afgelei is. Kosmoloë het bewyse ontdek wat die aannames bevestig, en as gevolg daarvan word metriese uitdying van die heelal beskou as ’n waargenome eienskap – al kan dit nie regstreeks gesien word nie, het getoetste waarnemings dit in ’n groot mate bevestig.^[8]

Bronne van dié bevestiging sluit in:

• Edwin Hubble het gedemonstreer dat alle sterrestelsels en verafgeleë astronomiese voorwerpe weg van ons af beweeg, soos voorspel deur ’n uitdying van die heelal.^[9] Deur middel van rooiverskuiwing is vasgestel hierdie wegbeweging is eweredig aan die afstand van ons af, ’n eienskap van metriese uitdying. Verdere navorsing het daarop gedui dat hierdie uitdying isotropies en homogeen is en dus nie ’n middelpunt het nie.
• Die heelal is beskou as "klonterig", met sterrestelselswerms en superswerms wat dit vul, totdat navorsing oor die grootskaalse strukture van die heelal daarop gedui het dat hierdie "klonterigheid" verdwyn op ’n groter skaal.
• Die isotropiese verspreiding van gamma-uitbarstings en supernovas is nog ’n bevestiging van die Koperniese beginsel.
• Die Koperniese beginsel is nie waarlik op ’n kosmologiese skaal getoets nie totdat metings van die uitwerking van die kosmiese agtergrondstraling op die dinamika van verafgeleë astrofisiese stelsels gedoen is. ’n Groep sterrekundiges van die Europese Suidelike Sterrewag het die temperatuur van ’n verafgeleë intergalaktiese newel wat in termiese ewewig met die kosmiese agtergrondstraling is, gemeet en opgemerk dié straling van die Oerknal was vroeër baie warmer.^[10] Die eenvormige afkoeling van die kosmiese agtergrondstraling oor miljarde jare is ’n sterk en regstreeks waarneembare bewys van metriese uitdying.

Hierdie artikel is vertaal uit die Engelse Wikipedia

• Felder, Gary, "The Expanding universe".
• Hubble-handleiding van die Universiteit van Wisconsin se departement fisika Geargiveer 9 Junie 2014 op Wayback Machine
• Researched Essay: The Big Bang" - Proof that the Universe is Expanding