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https://physics.stackexchange.com/questions/400457/what-does-general-relativity-say-about-the-relative-velocities-of-objects-that-a
"wir können tatsächlich Galaxien beobachten, die sich bei >c von uns entfernen"
Ähm, ich glaube, ich habe die bahnbrechende Schlagzeile verpasst, die besagt, dass Wissenschaftler eine Galaxie direkt gemessen haben, die sich mit Geschwindigkeiten über dem Licht von uns wegbewegt.
Die erste Antwort scheint also dieser anderen Antwort zu widersprechen
https://physics.stackexchange.com/questions/107748/how-are-galaxies-receding-faster-than-light-visible-to-observers
"Wenn die Rezessionsgeschwindigkeit am Ort eines reisenden Photons während der gesamten Reise des Photons aus einer weit entfernten Galaxie größer als die Lichtgeschwindigkeit wäre, würden wir das Photon niemals beobachten."
Es scheint der gesunde Menschenverstand zu sein, dass sich der Weltraum in einer bestimmten Entfernung schneller ausdehnt als Licht, wodurch verhindert wird, dass Licht über eine bestimmte Entfernung hinaus die Erde erreicht, was bedeutet, dass wir Galaxien, die sich schneller als Licht bewegen, nicht direkt messen können, aber wir können annehmen, dass sie dies tun projizieren ihre Geschwindigkeit über das beobachtbare Universum hinaus. Aber wer hat Recht?
Wenn sich eine Galaxie früher im beobachtbaren Universum befand, können wir Photonen dieser Galaxie messen, die die Erde erreichen, obwohl sich diese Galaxie derzeit möglicherweise außerhalb des beobachtbaren Radius des Universums befindet. Galaxien können aufgrund der Ausdehnung des Weltraums als schneller als das Licht reisen projiziert werden, aber ich habe nicht gesehen, dass wir sie direkt als solche messen können, da die Rotverschiebung von Photonen proportional zur Größe des Raums ist, der sich zwischen uns und a ausdehnt bestimmten Abstand.
Die Situation erfordert nicht einmal die allgemeine Relativitätstheorie, das gleiche kann mit Ameisen passieren, die auf einem Picknicktuch aus Gummi krabbeln. Stellen Sie sich vor, Sie sitzen in der Mitte eines sehr dehnbaren Gummituchs und Ameisen kriechen von den äußeren Rändern des Tuchs in Ameisengeschwindigkeit auf Sie zu. Sie bitten einige Freunde, die Ränder des Lakens mit einer Geschwindigkeit von sich wegzuziehen, die etwas schneller ist, als Ameisen kriechen können. Wird dich das vor den Ameisen schützen? Nein, ob Sie es glauben oder nicht, die Ameisen werden Sie trotzdem erreichen. Zuerst entfernen sie sich von Ihnen, aber wenn Sie Gitterlinien auf diesem Blatt markieren, werden Sie sehen, dass die Ameisen trotzdem über diese Gitterlinien vorrücken. Sie gelangen schließlich zu Ihnen, genau wie das Licht einer Galaxie, deren Entfernung von uns schneller als c zunimmt.
Beachten Sie, dass es im zweiten Zitat nicht um die Geschwindigkeit am Rand des Blattes geht, es besagt, dass die Ameisen Sie nicht erreichen, wenn sich alle Punkte auf dem Blatt, auf die die Ameisen zugreifen, alle schneller als die Ameisengeschwindigkeit von Ihnen entfernen. Das ist eine ganz andere Situation.
Wo also sind diese Messungen von Galaxien, die sich schneller als das Licht bewegen?
Das sind Rotverschiebungsmessungen. Schauen Sie sich den Wikipedia-Redshift-Artikel an. Es ist gutes Zeug.
"wir können tatsächlich Galaxien beobachten, die sich bei >c von uns entfernen"
Es ist wahr. Du denkst vielleicht es kann nicht sein, aber es kann.
Ähm, ich glaube, ich habe die bahnbrechende Schlagzeile verpasst, die besagt, dass Wissenschaftler eine Galaxie gemessen haben, die sich mit Geschwindigkeiten über dem Licht von uns entfernt.
Es ist überhaupt nicht bahnbrechend. Es ist einfacher als Sie denken.
Die erste Antwort scheint also dieser anderen Antwort zu widersprechen https://physics.stackexchange.com/questions/107748/how-are-galaxies-receding-faster-than-light-visible-to-observers "Wenn Rezessionsgeschwindigkeit am Standort eines reisenden Photons während der gesamten Reise des Photons aus einer weit entfernten Galaxie größer als die Lichtgeschwindigkeit wären, würden wir das Photon niemals beobachten".
Ja, das ist ein bisschen schade, denn das sagt er auch: "Galaxien mit Rotverschiebungen größer als ~3 waren und sind schwindet schneller als das Licht von uns".
Es scheint gesunder Menschenverstand zu sein, dass sich der Weltraum in einer bestimmten Entfernung schneller ausdehnt als das Licht, wodurch verhindert wird, dass Licht über eine bestimmte Entfernung hinaus die Erde erreicht, was bedeutet, dass wir Galaxien, die sich schneller als Licht bewegen, nicht direkt messen können. Aber wer hat Recht?
Der Typ, der sagt, dass wir Galaxien sehen können, die schneller als das Licht von uns entfernt waren und sich von uns entfernen. Laut Robs Kommentar siehe Expanding Confusion: Common Missverständnisse über kosmologische Horizonte und die superluminale Expansion des Universums von Tamara Davis und Charles Lineweaver. Beachten Sie dies: "Wir zeigen, dass wir Galaxien beobachten können, die Rezessionsgeschwindigkeiten über Lichtgeschwindigkeit haben und schon immer hatten." Siehe Seite 8: "Unter denen, die anerkennen, dass Rezessionsgeschwindigkeiten die Lichtgeschwindigkeit überschreiten können, wird manchmal behauptet, dass Objekte mit Rezessionsgeschwindigkeiten schneller als Lichtgeschwindigkeit nicht beobachtbar sind [Anhang B: 9-13]."
Lesen Sie auch die Wikipedia-Ameise in einem Gummiseil-Artikel. Das Gummiseil wird gedehnt, während die Ameise daran entlangläuft: "Auf den ersten Blick scheint es, dass die Ameise das Ende des Seils nie erreichen wird, aber in Wirklichkeit tut sie es (obwohl in der oben genannten Form die benötigte Zeit enorm ist). Unabhängig von der Länge des Seils und der relativen Geschwindigkeit der Ameise Wenn die Ameise mit der Bewegung begonnen hat, dehnt sich das Gummiseil sowohl vor als auch hinter der Ameise und schont die Ameise, wenn die Geschwindigkeit und die Dehnung konstant bleiben Anteil des Seils, den die Ameise bereits durchlaufen hat, und ermöglicht der Ameise, kontinuierlich voranzukommen".
Es gibt einen Abschnitt über die metrische Ausdehnung des Raums. Es sagt dies: „Wenn wir uns Lichtphotonen als Ameisen vorstellen, die entlang des Gummiseils des Weltraums zwischen der Galaxie und uns kriechen, können wir sehen, dass genauso wie die Ameise schließlich das Ende des Seils erreichen kann, also Licht von entfernten Galaxien, sogar von einigen, die so aussehen mit einer Geschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit zurückweichen kann, kann die Erde bei ausreichender Zeit schließlich erreichen.Die metrische Ausdehnung des Weltraums beschleunigt sich jedoch.Eine Ameise auf einem Gummiseil, deren Ausdehnung mit der Zeit zunimmt,kann nicht garantiert den Endpunkt erreichen. [3] Die Licht von ausreichend weit entfernten Galaxien kann daher die Erde dennoch nie erreichen".
Wenn ich den Kontext richtig verstehe, ist das Problem des Missverständnisses hier der Bezugsrahmen. Die Antwort lautet also, dass beide richtig sind, weil sie mit unterschiedlichen Frames sprechen.
Das zweite Diagramm auf dieser Site könnte Ihnen helfen, es besser zu verstehen. Y ist die Rückschauzeit oder das Alter des Universums. X ist die Bewegungsstrecke. Der Beobachter ist heute. Der Lichtkegel ist rot und keine gerade Linie, wie man es von der speziellen Relativitätstheorie aufgrund der Universumsexpansion erwarten könnte. Nimmt man jedoch die Umgebung des Beobachters, so ist der Lichtkegel immer noch ungefähr die gerade Linie.
Wenn Sie also die gerade Linie aus dem Beobachter extrapolieren, sehen Sie Dinge, die in dem Bereich bleiben, in dem v>c (d. h. raumartig). Zum Beispiel sehen Sie das Objekt in einer sich mitbewegenden Entfernung bei 16 Gly heute von seiner Emission bei etwa 9 Gyr in der Vergangenheit, und 16 Gly / 9 Jahr ist wie erwartet etwas größer als c.
Dies scheint ein kontraintuitives Szenario zu sein, da die Entfernung als sich bewegender Rahmen ausgedrückt wird. Stattdessen zeigt das erste Diagramm der Site X als den richtigen Abstand, und jetzt befinden sich alle sichtbaren Orte in der v
Wie in den Diagrammen dargestellt, sehen Sie, dass wir nur weit entfernt von etwa 46 Gly (bewegte Entfernung), auch bekannt als Horizont, sehen können. Dies liegt daran, dass wir, wenn wir in Bezug auf die Geschichte der Universumsexpansion über diesen Punkt hinausgehen, heute aus dem Weltraum heraus bleiben.
Hinweis: Bei der gesamten Analyse hier wird immer noch die Lichtgeschwindigkeit als Konstante c in jedem Bezugssystem angenommen. Dies könnte ein weiteres Missverständnis sein, aber ich werde an dieser Stelle nicht ins Detail gehen.
Ohne auf die technischen Details von Raumzeit-Diagrammen und Ameisen einzugehen, denke ich, dass der schnellste Weg, dies zu verstehen, darin besteht, es aus der Perspektive der fernen Galaxie zu betrachten. Nehmen wir zum Beispiel GN-z11, das sich tatsächlich bei $vsimeq4c$ von uns entfernt hat, als es das Licht aussendete, das wir heute sehen:
Ein Photon verließ GN-z11 bei $v=c$. Der Raum dehnt sich aus, obwohl das Photon zu jeder Zeit reist örtlich bei $v=c$ vergrößerte es seinen Abstand zu GN-z11 mit einer immer höheren Geschwindigkeit $v>c$.
Die Milchstraße ging von GN-z11 bei $vsimeq4c$ zurück, aber örtlich es hat $vsimeq0$, und bis vor kurzem expandierte das Universum immer langsamer.
Irgendwann erreichte das Photon einen Punkt, an dem sich das Universum beispielsweise bei $v=0,1c$ bzgl. GN-z11, also ging das Photon bei $v=1,1c$ zurück. Später erreichte es einen Punkt, an dem sich das Universum bei $v=c$ wrt ausdehnt. GN-z11, also ging es um $v=2c$ von GN-z11 zurück. Und so weiter.
Schließlich hat es die Milchstraße einfach "eingeholt".
Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass dies nur möglich ist, weil die Expansionsrate nicht beschleunigen bis vor kurzem. Die Beschleunigung begrenzt, wie schnell Galaxien zurücktreten und noch sichtbar sind. Heute liegt diese Grenze bei ungefähr $v=1,2c$, was Galaxien entspricht, die ungefähr 17 Milliarden Lichtjahre entfernt sind. Photonen, die heute GN-z11 verlassen, werden uns nie erreichen, obwohl es heute "nur" bei $v=2,2c$ von uns zurücktritt.
Bewegen sich Galaxien schneller als die Lichtgeschwindigkeit?
Denken Sie daran, dass die Relativität Objekte daran hindert, sich zu bewegen durch Raumzeit schneller als Licht.
Galaxien bewegen sich zum Beispiel kaum, die Milchstraße bewegt sich etwa 600 KPS. Die Galaxien scheinen rotverschoben zu sein und sich von uns wegzubewegen, weil sich der Raum zwischen den Galaxien ausdehnt.
Sie können sich vorstellen, zwei Punkte auf die Oberfläche eines Ballons zu setzen. Wenn Sie den Ballon aufblasen, entfernen sie sich voneinander, aber nur, weil sich der Ballon ausdehnt.
GR setzt der Geschwindigkeit, mit der sich der Raum erweitern kann, keine Grenzen.
EDIT: Wie Marcus betonte, sind die 600 KPS in Bezug auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund ein Fehler meinerseits.
Denken Sie daran, dass die Relativität Objekte daran hindert, sich zu bewegen durch Raumzeit schneller als Licht.
Galaxien bewegen sich kaum, die Milchstraße bewegt sich beispielsweise um 600 [ KPS ]. Die Galaxien scheinen rotverschoben zu sein und sich von uns wegzubewegen, weil sich der Raum zwischen den Galaxien ausdehnt.
Sie können sich vorstellen, zwei Punkte auf die Oberfläche eines Ballons zu setzen. Wenn Sie den Ballon aufblasen, entfernen sie sich voneinander, aber nur, weil sich der Ballon ausdehnt.
GR setzt der Geschwindigkeit, mit der sich der Raum erweitern kann, keine Grenzen.
Es bewegt sich ungefähr 600 Kilometer pro Sekunde relativ zum alten Licht, dem Mikrowellenhintergrund, in die allgemeine Richtung der südlichen Sternbilder Hydra und Centaurus. Unsere gesamte lokale Galaxiengruppe steuert so ziemlich in diese Richtung. Eine kleine Flotte von etwa einem Dutzend, die andere ist Andromeda. Ich habe einmal nachgesehen und die genaue südliche Konstellation ist eine kleine, wenig bekannte Konstellation namens Krater, die sich in der allgemeinen Region von Hydra und Centaurus befindet.
Es ist leicht zu vergessen und KPH anstelle von KPS zu schreiben. Wenn Sie den Fehler sehen und Ihren Beitrag noch bearbeiten können, werde ich diesen löschen. Ich hoffe ich missverstehe nicht. Die gebräuchlichste Art, die kleinen lokalen zufälligen Bewegungen von Galaxien auszudrücken, ist relativ zum CMB. Diese KPS-Geschwindigkeiten (relativer Mikrowellenhintergrund) sind sicherlich klein, verglichen mit der Lichtgeschwindigkeit oder der Geschwindigkeit, mit der sich die Entfernungen zu den meisten Galaxien ausdehnen! Die Entfernungen zu den meisten Galaxien, die wir sehen können, dehnen sich tatsächlich schneller aus als die Lichtgeschwindigkeit, aber das ist nur eine Änderung der Geometrie, keine Bewegung durch den Weltraum (wie Sie sagen.)
Mark, das ist klar, genau, prägnant. Ich neige dazu, gesprächiger zu sein, und ich denke, dieser kurze Stil kommuniziert den meisten Menschen besser. Eine kleine Änderung biete ich an:
Es bewegt sich ungefähr 600 Kilometer pro Sekunde relativ zum alten Licht, dem Mikrowellenhintergrund, in die allgemeine Richtung der südlichen Sternbilder Hydra und Centaurus. Unsere gesamte lokale Galaxiengruppe steuert so ziemlich in diese Richtung. Eine kleine Flotte von etwa einem Dutzend, die andere ist Andromeda. Ich habe einmal nachgesehen und die genaue südliche Konstellation ist eine kleine, wenig bekannte Konstellation namens Krater, die sich in der allgemeinen Region von Hydra und Centaurus befindet.
Es ist leicht zu vergessen und KPH anstelle von KPS zu schreiben. Wenn Sie den Fehler sehen und Ihren Beitrag noch bearbeiten können, werde ich diesen löschen. Ich hoffe ich missverstehe nicht. Die gebräuchlichste Art, die kleinen lokalen zufälligen Bewegungen von Galaxien auszudrücken, ist relativ zum CMB. Diese KPS-Geschwindigkeiten (relativer Mikrowellenhintergrund) sind sicherlich klein, verglichen mit der Lichtgeschwindigkeit oder der Geschwindigkeit, mit der sich die Entfernungen zu den meisten Galaxien ausdehnen! Die Entfernungen zu den meisten Galaxien, die wir sehen können, dehnen sich tatsächlich schneller aus als die Lichtgeschwindigkeit, aber das ist nur eine Änderung der Geometrie, keine Bewegung durch den Weltraum (wie Sie sagen.)
Um lokale Geschwindigkeiten in Doppler zu übersetzen, verwendet man die relativistische Doppler-Verschiebungsformel
Wenn β die Geschwindigkeit (als Bruchteil v/c der Lichtgeschwindigkeit) ist, dann
1+z = Quadrat((1+β)/(1-β))
Wenn Sie also die Geschwindigkeit wünschen, die eine Dopplerverschiebung (keine kosmologische Rotverschiebung, sondern eine tatsächliche Dopplerverschiebung) von 3 ergeben würde, müssen Sie sqrt = 1+3 = 4 . einstellen
also was im sqrt ist muss = 16.
Und Sie können nach β auflösen.
Sehen wir uns an, was das am Beispiel von shift=3 wäre, das Sie vorgeschlagen haben.
16(1-β) = (1+β)
15 = 17β
β = 15/17 der Lichtgeschwindigkeit.
Das ist eine rein spezielle rel. Sache, die Berechnung gilt in lokaler, nicht expandierender Geometrie und die Geschwindigkeit, die Sie erhalten, hat im Wesentlichen nichts mit der Expansion zu tun, die auftritt, während Licht über lange Distanzen wandert.
Wie Sie sicher wissen, aber andere Leser vielleicht nicht, wenn Sie hierher gehen
http://www.einsteins-theory-of-relativity-4engineers.com/cosmocalc.htm
und schreibe 3 in das Rotverschiebungsfeld und drücke auf Berechnen, dann sagt es dir, dass die Rezessionsrate 1,6 c betrug, wenn
das Licht ausgesendet wurde und 1,5 c als das Licht hier auf der Erde empfangen wurde.
Die kosmologische Rotverschiebung ist das Ergebnis all der Expansion, die während des Übergangs des Lichts von dort nach hier stattfand. Sie hängt nicht nur von einer momentanen relativen Geschwindigkeit ab, wie dies beim Doppler der Fall ist.
Das ist offensichtlich anders als beim Doppler 15/17 c.
Eigentümliche Bewegungen sind Bewegungen von Objekten relativ zu uns. Zum Beispiel ist M31 ziemlich nahe bei uns, so dass jede Rot-/Blauverschiebung, die wir beobachten, hauptsächlich auf die Bewegungen unserer Galaxie und M31 relativ zueinander zurückzuführen ist. Wenn wir eine Galaxie im Grenzbereich unserer Beobachtungsinstrumente beobachten wollen, kann man mit Sicherheit davon ausgehen, dass diese Galaxien nicht von unserer wegfliegen (sonderbare Bewegung) und ihre Rotverschiebungen auf kosmologische Effekte zurückzuführen sind.
Turbo hat in allem Recht, was er hier sagt, aber ich versuche es aus einem anderen Blickwinkel zu erklären:
beide haben den gleichen Effekt der Wellenlängenverschiebung, daher können wir den Unterschied nicht erkennen, indem wir nur die hellen und dunklen Linien des Spektrums betrachten, aber wir können gesunden Menschenverstand oder plausible Argumente verwenden. Wenn sich die Galaxie in einem Haufen befindet, hat sie wahrscheinlich ungefähr die gleiche Entfernung wie die anderen im Haufen. Wenn der Abstand gleich ist, sollte die Kosmo-Rotverschiebung gleich sein. Wenn sich die Verschiebung also stark von den anderen unterscheidet, ist dies wahrscheinlich der zusätzliche Beitrag eines Dopplers. Es bewegt sich wahrscheinlich mit seiner eigenen individuellen Bewegung hin oder weg.
Und wenn es sich NICHT von den anderen im Cluster unterscheidet, dann ist die natürliche Tendenz, es der kosmischen Rotverschiebung zuzuschreiben. Es sei denn, Sie haben einen anderen Griff, wie eine unabhängige Entfernungsbestimmung mit Hilfe einer Supernova oder eines variablen Sterns, der als Standardkerze dienen kann. Wenn Sie die Entfernung bestimmen können, können Sie möglicherweise folgern, dass sich der gesamte Haufen hin oder weg bewegt und einen Doppler-Beitrag hat, der zu der üblichen kosmischen Rotverschiebung hinzukommt, die während des Durchgangs des Lichts aufgetreten ist.
Die Dinge haben ihre eigenen individuellen Bewegungen (sogenannte "eigenartige" Bewegungen) und es bedarf einiger Detektivarbeit, um sie zu klären.
Sterne am rechten Rand einer Galaxie sind möglicherweise weniger rot und die am linken Rand roter – so können Sie erkennen, dass sich das Ding dreht! Dieser Effekt ist Doppler-Effekt und wird dem allgemein dominanteren Kosmo-Rotverschiebungseffekt überlagert.
Danke Turbo und Marcus. Das macht alles Sinn. Was ich jedoch frage, ist, wie man grundsätzlich sagt, ob die Rotverschiebung durch den Dopplereffekt oder kosmologische Effekte verursacht wird. Da wir es nicht allein durch das Betrachten des Spektrums erkennen können, was veranlasst uns zu sagen, dass die Rotverschiebung auf die Ausdehnung des Raums zurückzuführen ist und nicht auf eine einfache Bewegung von uns weg? AKA können wir uns einen Galaxienhaufen ansehen und sagen, dass die Rotverschiebung aufgrund der Expansion z = 0,3 ist, aber warum sagen wir, dass es sich um eine Expansion des Weltraums und nicht um eine Dopplerverschiebung handelt?
Ich habe es für selbstverständlich gehalten, dass wir das sagen können, aber ich habe nie erfahren, was unsere Gründe sind.
Astronomen bewerten das Alter des Universums neu
Das Universum ist (fast) 14 Milliarden Jahre alt, bestätigen Astronomen.
Mit drohenden Unstimmigkeiten über die Wahrheit Alter des Universumshaben Wissenschaftler das beobachtbare (expandierende) Universum neu unter die Lupe genommen und sein Alter auf 13,77 Milliarden Jahre (plus oder minus 40 Millionen Jahre) geschätzt.
Im Jahr 2019 untersuchen Wissenschaftler die Bewegung von Galaxien kam zu dem Schluss, dass das Universum Hunderte von Millionen Jahren jünger ist als zuvor von der Planck Collaboration geschätzt, einer Gruppe von Wissenschaftlern, die an der Planck-Mission der Europäischen Weltraumorganisation mitgearbeitet haben. Verwendung von Daten aus dem Planck Weltraumobservatorium, fanden sie heraus, dass das Universum ungefähr 13,8 Milliarden Jahre alt ist.
Um die Rechnung zu begleichen, verwendete ein internationales Astronomenteam unter der Leitung der Cornell University Daten des Atacama Cosmology Telescope (ACT) der National Science Foundation in Chile und "kosmische Geometrie", um die Debatte zu beenden. Cornell-Beamte sagten in einer Erklärung. Ihre Schätzung von (etwa) 13,77 Milliarden Jahren entspricht in etwa der Schätzung der Planck-Kollaboration.
"Jetzt haben wir eine Antwort gefunden, bei der Planck und ACT übereinstimmen", sagte die Astronomin Simone Aiola, Forscherin am Center for Computational Astrophysics des Flatiron Institute in New York City und Autorin einer von zwei neuen Veröffentlichungen, die diese Ergebnisse beschreiben gleiche Aussage. "Es spricht dafür, dass diese schwierigen Messungen zuverlässig sind."
Durch die Bestimmung des Alters des Universums konnten die Forscher auch abschätzen, wie schnell sich das Universum ausdehnt – diese Zahl wird als bezeichnet Hubble-Konstante. Mit ACT berechneten sie eine Hubble-Konstante von 42 Meilen pro Sekunde pro Megaparsec oder 67,6 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsec. Mit anderen (einfacheren) Worten fanden sie heraus, dass ein Objekt 1 Megaparsec (oder etwa 3,26 Millionen Lichtjahre) von der Erde entfernt würde sich mit 42 Meilen pro Sekunde (67,6 km/s) von der Erde entfernen.
Dies ist sehr nahe an den 41,88 Meilen pro Sekunde pro Megaparsec (67,4 km pro Sekunde pro Megaparsec), die zuvor vom Planck-Team geschätzt wurden. Bisherige Messungen der Bewegung von Galaxien haben jedoch gezeigt, dass sich das Universum nach derselben Aussage schneller ausdehnt.
„Ich hatte keine besondere Vorliebe für einen bestimmten Wert – es würde auf die eine oder andere Weise interessant werden“, sagte Steve Choi, ein Forscher am Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science, der eine der neuen Veröffentlichungen mitverfasst hat, sagte in der gleichen Aussage. "Wir finden eine Expansionsrate, die genau der Schätzung des Planck-Satellitenteams entspricht. Dies gibt uns mehr Vertrauen in die Messungen des ältesten Lichts des Universums."
Diese Arbeit wurde am 30. Dez. 2020 veröffentlicht in zwei Artikeln im Journal of Cosmology and Astroarticle Physics.
Wie können sich Galaxien schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen? [Video]
"Wenn ich nahe der Lichtgeschwindigkeit bin und jemand anderes auch nahe der Lichtgeschwindigkeit gegen mich kommt, werden wir dann im Verhältnis zueinander fast die doppelte Lichtgeschwindigkeit haben? Würden wir uns so schnell in verschiedene Richtungen bewegen, dass die Zeit, um einander zu erreichen, verzerrt würde, um die Geschwindigkeit auszugleichen?" - Bruno Portel „Angenommen, ein Objekt bewegt sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Wenn eine Person dieses Objekt im Raum vorbeisausen würde, würde das Licht, das vom Objekt kommt (und Ihre Augen trifft) hinter der tatsächlichen Position des Objekts im Raum nachlaufen? Mit anderen Worten, würde sich das Objekt mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, obwohl es schneller ist?" - Dylan Thompson „Wie kommt es, dass die Galaxien, die sich voneinander entfernen, irgendwann die Lichtgeschwindigkeit überschreiten? (oder Wie ist es möglich, dass Galaxien schneller als das Licht reisen, aber trotzdem der Allgemeinen Relativitätstheorie entsprechen?)" - despratename
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Die Frage mit den meisten "likes" wird im nächsten Video von einem neuen Gastexperten beantwortet. In früheren Folgen waren der Astronom Caleb Scharf, der Physiker Lawrence Krauss und Scientific Americans eigene Chefredakteurin Mariette DiChristina.
ÜBER DIE AUTOREN)
Eric ist Multimedia-Journalist und Produzent, spezialisiert auf Wissenschaft und Naturgeschichte. Seine Arbeiten sind unter anderem auf den Websites von Scientific American, Nature, Nature Medicine, Popular Science, Slate und The New York Times erschienen. Er ist ein ehemaliger Videoproduzent und Cutter für Scientific American.
Die Antwort auf das Leben, das Universum und alles könnte 73 sein. Oder 67
Eine Krise kosmischen Ausmaßes braut sich zusammen: Das Universum dehnt sich 9% schneller aus, als es sein sollte, und Wissenschaftler sind sich nicht sicher, warum.
Die neueste und genaueste Schätzung der aktuellen Expansionsrate des Universums – ein Wert, der als Hubble-Konstante bekannt ist – stammt aus Beobachtungen der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation, die die detaillierteste dreidimensionale Vermessung der Milchstraße aller Zeiten durchführt.
Die Daten haben es ermöglicht, die Expansionsrate auf eine vermeintliche Genauigkeit von ein paar Prozent festzulegen. Diese neueste Schätzung steht jedoch in starkem Widerspruch zu einer unabhängigen Messung der Hubble-Konstante, die auf Beobachtungen von altem Licht basiert, das kurz nach dem Urknall freigesetzt wurde. Kurz gesagt, das Universum wird schneller größer als es sein sollte.
Die Fehlanpassung ist signifikant und problematisch, da die Hubble-Konstante weithin als die fundamentalste Zahl in der Kosmologie angesehen wird.
„Die Tatsache, dass sich das Universum ausdehnt, ist wirklich eine der mächtigsten Möglichkeiten, die Zusammensetzung des Universums, das Alter des Universums und das Schicksal des Universums zu bestimmen“, sagte Professor Adam Riess vom Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, der die letzte Analyse leitete. „Die Hubble-Konstante quantifiziert all das in einer Zahl.“
In einem expandierenden Universum gilt: Je weiter ein Stern oder eine Galaxie entfernt ist, desto schneller zieht sie sich zurück. Hubbles Konstante – vorgeschlagen von Edwin Hubble in den 1920er Jahren – verrät, um wie viel.
Ein Ansatz zur Messung besteht also darin, die Rotverschiebungen heller Supernovae zu beobachten, deren Licht gestreckt wird, wenn sich der Raum ausdehnt, den sie durchquert. Eine Herausforderung besteht jedoch darin, die genaue Entfernung dieser Sterne zu bestimmen.
Riess, der 2011 mit dem Nobelpreis für Physik für den Nachweis einer beschleunigten Expansion des Universums ausgezeichnet wurde, ist Teil eines Teams, das sich auf die Entwicklung ultrapräziser Methoden zur Entfernungsmessung konzentriert.
Die neuesten Beobachtungen von Gaia haben diese Bemühungen vorangetrieben, indem sie Dutzende neuer Cepheiden-Sterne identifiziert haben, die die Besonderheit haben, dass ihr Licht mit einer Geschwindigkeit flackert, die direkt mit ihrer Helligkeit an der Quelle zusammenhängt. Durch das Beobachten der Pulsationen dieser sogenannten Standardkerzen können Wissenschaftler ihre ursprüngliche Leuchtkraft und damit auch die Entfernung von ihnen und ihren Heimatgalaxien ermitteln.
Die neuen Daten setzen die Hubble-Konstante auf 73, was bedeutet, dass sich Galaxien für jedes zusätzliche Megaparsec Entfernung zwischen uns und ihnen 73 km pro Sekunde schneller von uns entfernen (ein Megaparsec entspricht etwa 3,3 m Lichtjahre).
Eine separate Schätzung von Hubble stammt jedoch aus Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, einer Reliktstrahlung, mit der Wissenschaftler berechnen können, wie schnell sich das Universum 300.000 Jahre nach dem Urknall ausdehnt.
„Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist das Licht, das wir am weitesten von uns entfernt sehen können“, sagt Riess. „Es ist seit 13,7 Milliarden Jahren unterwegs. und es sagt uns, wie schnell sich das Universum ausdehnte, als das Universum ein Baby war.“
Wissenschaftler verwenden dann das kosmische Äquivalent eines Kinderwachstumsdiagramms (ein Computermodell, das das Alter und den Inhalt des Universums und die Gesetze der Physik grob beschreibt), um vorherzusagen, wie schnell sich das Universum heute ausdehnen sollte. Dies ergibt einen Hubble-Wert von 67.
Bis vor kurzem hatten Wissenschaftler gehofft, dass sich diese Diskrepanz mit genaueren Messungen verringern würde, aber stattdessen hat sich der Unterschied vergrößert und die neueste Berechnung gibt eine Chance von nur 1 zu 7.000 der Abweichung an, die auf Zufall zurückzuführen ist. „Wenn dies weiterhin so bleibt, haben wir es möglicherweise mit einer neuen Physik des Universums zu tun“, sagte Riess.
Welche Form könnte das annehmen? Ein Vorschlag ist, dass dunkle Energie, von der angenommen wird, dass sie die Expansion des Universums beschleunigt, stärker wird. Wissenschaftler sind sich nicht sicher, warum dies passieren sollte - da der Weltraum sich ausdehnt, könnte man erwarten, dass seine Kraft stattdessen verwässert wird. Eine andere Möglichkeit ist, dass eine vierte, noch nicht beobachtete Neutrino-Variante die Berechnungen verzerrt haben könnte. Schuld könnte auch die Dunkle Materie sein, wenn sich herausstellt, dass sie stärker mit normaler Materie interagiert als aktuelle Modelle vorhersagen.
„Es geht mir nicht darum, dass alles passt“, sagt Riess. „Ich denke: ‚Ah, das ist sehr interessant‘.“
Es wurden auch prosaischere Erklärungen vorgebracht. John Peacock, Professor für Kosmologie an der University of Edinburgh, sagte: „Über ein gewisses Maß an Komplexität hinaus muss man offen für die Möglichkeit sein, dass es kleine Annahmen gibt, die möglicherweise nicht ganz richtig sind.“
„Ich bleibe auf absehbare Zeit bei [einem Hubble-Wert von] 70“, fügte er hinzu.
Die Krise in der Kosmologie, wie sie letzten Monat auf einem Treffen der American Physical Society beschrieben wurde, könnte bald durch neue Messungen der Hubble-Konstanten basierend auf Gravitationswellenbeobachtungen der Ligo-Kollaboration gelöst werden. "Innerhalb der nächsten fünf Jahre werden wir das wahrscheinlich schaffen", sagte Peacock.
Woher wissen wir, dass sich weiter von uns entfernte Galaxien schneller bewegen als nahe Galaxien?
Astronomen verwenden die Dopplerverschiebung, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sich eine Lichtquelle bewegt. Je schneller sich die Quelle bewegt, desto größer ist die Farbverschiebung des beobachteten Lichts (im Vergleich zur Farbe einer stationären Quelle).
Erläuterung:
Jeder, der gehört hat, wie sich ein Zug nähert und auf einem Gleis vorbeifährt, hat die dabei auftretende Tonhöhenänderung wahrgenommen. Dieser Effekt ist als Doppler-Verschiebung bekannt und für alle Arten von Wellen, einschließlich Schall und Licht, gut bekannt.
Das Bild soll zeigen, dass, wenn sich die Wellenquelle auf uns zubewegt, die Wellen vor der Quelle komprimiert werden und eine hohe Frequenz zu hören ist. Hinter der Quelle ist die beobachtete Tonhöhe niedriger als bei einer stationären Quelle. Je schneller sich die Quelle bewegt, desto größer ist die beobachtete Tonhöhenänderung.
Bei Licht liegt der Effekt nicht in der Tonhöhe, sondern in der Farbe. Wenn sich eine Lichtquelle auf einen Beobachter zubewegt, haben die Wellen eine kürzere Wellenlänge und eine höhere Frequenz. Das Licht scheint in Richtung des blauen Endes des Spektrums verschoben zu sein. Wenn sich die Quelle vom Beobachter wegbewegt, lässt die Frequenzverschiebung die Farbe roter erscheinen. Wie beim Schall gilt: Je schneller sich die Quelle bewegt, desto größer ist die beobachtete Farbänderung. Dies ist die Rotverschiebung, die in allen Galaxien zu sehen ist.
Um Ihre Frage abschließend zu beantworten: Wenn wir das Licht weiter entfernter Galaxien messen, stellen wir routinemäßig größere Farbverschiebungen des von ihnen emittierten Lichts fest. Dies sagt uns, dass sie sich schneller bewegen als die Galaxien, die "in der Nähe" sind.
Wo also sind diese Messungen von Galaxien, die sich schneller als das Licht bewegen? - Astronomie
Berücksichtigen Wissenschaftler bei der Messung der Geschwindigkeit, mit der sich weit entfernte Galaxien bewegen, die Art und Weise, wie sich die Galaxien in der Vergangenheit bewegt haben? Könnte dies das Hubble-Gesetz beeinflussen?
(Hinweis: Eine Version dieses Artikels wurde erstmals am 2. Januar 2008 von Scientific American veröffentlicht.)
Beginnen wir mit den Grundlagen: Unser Universum dehnt sich aus. Woher wissen wir das? Astronomen haben über viele Jahrzehnte Beobachtungen gesammelt, die darauf hindeuten, dass sich andere Galaxien mit fantastischen Geschwindigkeiten von unserer eigenen Milchstraße (und voneinander) entfernen. Es gibt einige kleine Abweichungen von diesem Muster, aber wenn Sie "die Kamera zurückschwenken" und das Universum als Ganzes betrachten würden, wäre der Gesamteindruck, dass Galaxien sich voneinander entfernen, während sich weiter entfernte Galaxien proportional schneller entfernen - ein Paradigma, das als Hubble-Gesetz bekannt ist.
Wie würde das Universum aus dieser Sicht aussehen? Eine gute Analogie für das expandierende Universum stammt von Martin Gardner, einem populärwissenschaftlichen Autor, der auch langjähriger Kolumnist für Scientific American war: Stellen Sie sich einen riesigen Teigklumpen vor, in den ein Haufen Rosinen eingebettet ist, der den Weltraum repräsentiert, und die Rosinen repräsentieren die Galaxien . Wenn nun jemand den Teig in den Ofen legt, dehnt er sich aus oder, genauer gesagt, streckt sich, wobei die gleichen Proportionen wie zuvor beibehalten werden, aber mit der Zeit werden alle Abstände zwischen den Rosinen größer.
Astronomen verwenden die sogenannte "Hubble-Konstante", um zu messen, wie schnell diese Expansion stattfindet. Der gemessene Wert der Hubble-Konstante kann auf viele Arten geschrieben werden, aber so wie ich ihn gerne schreibe, beträgt er 0,007 Prozent pro Million Jahre. Dies bedeutet, dass sich die Entfernungen zwischen den Galaxien alle eine Million Jahre um etwa 0,007 Prozent ausdehnen.
Was sagt uns diese Zahl also wirklich? Zum einen sagt es uns, dass das Universum sehr alt ist. Wenn man Millionen von Jahren zurückgehen würde, würde das Universum ziemlich genau so aussehen wie heute. Solange Sie sich daran halten, Galaxien innerhalb von beispielsweise 100 Millionen Lichtjahren von uns zu messen, können Sie sicher sein, dass sich das Universum in der Zeit, die das Licht brauchte, um von diesen Galaxien zu uns zu gelangen, nicht wesentlich verändert hat.
Aber was ist, wenn Sie eine Galaxie messen, die einige Milliarden Lichtjahre entfernt ist? In diesem Fall hat sich das Universum während der Reise des Lichts erheblich verändert. Astronomen messen das Hubble-Gesetz für diese Galaxien aufgrund einer ganzen Reihe von Problemen nicht mehr: Wenn Sie versuchen würden, die "Entfernung" zu einer dieser Galaxien zu messen, welche Entfernung würden Sie erhalten? Die Entfernung, als das Licht emittiert wurde? Oder die Distanz, die das Licht zurücklegte, um uns zu erreichen (die eine zusätzliche Distanz beinhaltet, weil sich das Universum ausdehnte, während sich das Licht durch es bewegte, wie ein Läufer auf einer sich ständig erstreckenden Rennstrecke)? Oder würden Sie die Entfernung messen, die die Galaxie derzeit von uns hat, was die größte von allen ist? Ähnliche Probleme gibt es bei der Geschwindigkeit: Die Hubble-Konstante ändert sich mit der Zeit, und je nachdem, wie sie sich ändert, können einzelne Galaxien schneller oder langsamer werden. Wenn Sie also von Geschwindigkeit sprechen, sprechen Sie von der Geschwindigkeit, als das Licht emittiert wurde, der Geschwindigkeit jetzt oder etwas dazwischen? Kurz gesagt, es ist alles ein großes Durcheinander.
The way to get around this is to stop thinking about distance and speed and to focus on properties that astronomers can measure directly. One thing that astronomers can actually measure is the redshift - as light travels through the expanding universe, the light gets stretched by the same factor that the universe does, causing its wavelength to increase. Since red light has longer wavelengths than blue light, this means that the color of light will move more toward the red end of the spectrum. And instead of distance, astronomers look at objects of known power inside the galaxies (typically type 1a supernovae) and measure how bright they appear. This is a bit like taking a 60-watt lightbulb and moving it to farther and farther distances. As long as we can be sure that the bulb remains at 60 watts, we know that the fainter it appears, the farther away it must be.
Redshift and brightness may be less intuitive than speed and distance, but at least they're precisely defined. And they're also very useful. Just like an amateur cook might be able to figure out a restaurant's raisin-bread recipe by baking his own bread over and over again and tasting the final results, astronomers can figure out the expansion of the "raisin bread" universe by generating theoretical models for the relationship between redshift and brightness under different scenarios (in particular, by allowing the Hubble constant to evolve with time in different ways) and throwing away the models that don't fit the observed data. The results obtained over the past decade very clearly favor models in which the individual galaxies are speeding up - in other words, an accelerating universe.
This page was last updated on June 27, 2015
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Über den Autor
Dave Rothstein
Dave is a former graduate student and postdoctoral researcher at Cornell who used infrared and X-ray observations and theoretical computer models to study accreting black holes in our Galaxy. He also did most of the development for the former version of the site.
So where are these measurements of galaxies moving faster than light? - Astronomie
The logic behind this common question has several hidden assumptions, two of which are addressed by the following italicized questions:
ein. Was space, along with light emitted by stars, rapidly stretched out soon after creation began? If so, energy would have been added to the universe and starlight during that stretching. Pages 449 show that the scientific evidence clearly favors this stretching explanation over the big bang theory, which also claims that space expanded rapidly. Yet, the big bang theory says all this expansion energy, plus all the matter in the universe, was, at the beginning of time, inside a volume much smaller than a quadrillionth of an atom.
b. Has starlight always traveled at its present speed—about 186,000 miles per second or, more precisely, 300,000 kilometers per second?
If either (a) space and its starlight were stretched out, or (b) the speed of light was much faster in the past, then distant stars should be visible in a young universe. Pages 449 address possibility (a). Here, we will address possibility (b) by examining the historical measurements of the speed of light.
Historical Measurements. During the past 300 years, at least 164 separate measurements of the speed of light have been published. Sixteen different measurement techniques were used. Astronomer Barry Setterfield has studied these measurements, especially their precision and experimental errors. 1 His results show that the speed of light has apparently decreased so rapidly that experimental error cannot explain it! Montgomery and Dolphin have critically reexamined all of Setterfield’s data, applied various statistical tests, and reached similar conclusions. 2 In the seven instances where the same scientists remeasured the speed of light with the same equipment years later, a decrease was always reported. The decreases were often several times greater than the reported experimental errors. I have conducted other analyses that give weight (give significance) to each measurement according to its accuracy. Even after considering the wide range of accuracies, it is hard to see how one can claim, with any statistical rigor, that the speed of light has remained constant. 3
Figure㺊: Spiral Galaxies. The arms in these six representative spiral galaxies have about the same amount of twist. Their distances from Earth are shown in light-years. (One light-year, the distance light travels in one year, equals about 5,879,000,000,000 miles.) For the light from all galaxies to arrive at Earth tonight, the more distant galaxies had to release their light long before the closer galaxies. Therefore, the more distant galaxies did not have as much time to rotate and twist their arms, so the farther galaxies should have less twist. But, if light traveled millions of times faster in the past— or if space and its light were stretched out during the creation week, as proposed on pages 449 – 464 —the farthest galaxies did not have to send their light long before the nearest galaxies. Spiral galaxies should have similar twists. This turns out to be the case. 6
The galaxies are: A) M33 or NGC 598 B) M101 or NGC 5457 C) M51 or NGC 5194 D) NGC 4559 E) M88 or NGC 4501 and F) NGC 772. All distances are taken from R. Brent Tully, Nearby Galaxies Catalog (New York: Cambridge University Press, 1988).
M. E. J. Gheury de Bray, in 1927, was probably the first to propose a decreasing speed of light. 4 He based his conclusion on measurements spanning 75 years. Later, he became more convinced and twice published his results in Nature , 5 possibly the most prestigious scientific journal in the world. He emphasized, “If the velocity of light is constant, how is it that, invariably , new determinations give values which are lower than the last one obtained . There are twenty-two coincidences in favour of a decrease of the velocity of light, while there is not a single one against it.” 7 [emphasis in original]
Although the measured speed of light has decreased only about 1% during the past three centuries, the decrease is statistically significant, because measurement techniques can detect changes thousands of times smaller. While the older measurements have greater errors, the trend of the data is startling. The farther back one looks in time, the more rapidly the speed of light seems to have been decreasing. Various mathematical curves fit these three centuries of data. When some of those curves are projected back in time, the speed of light becomes so fast that light from distant galaxies conceivably could have reached Earth in several thousand years.
Some people have arbitrarily defined the speed of light as a constant. However, no scientific law requires the speed of light to be constant. 8 Many have simply assumed that it is constant, so changing old ways of thinking is sometimes difficult. Russian cosmologist, V. S. Troitskii, at the Radiophysical Research Institute in Gorky, also questioned some old beliefs. He concluded, independently of Setterfield, that most redshifts of distant starlight are the result of the slowing speed of light, and at the beginning, the speed of light was 10 billion times faster at time zero! 9 Furthermore, he attributed the cosmic microwave background radiation to this rapidly decreasing speed of light. Setterfield reached the same conclusion concerning redshifts by a different method. If either Setterfield or Troitskii is correct, the big bang theory will fall (with a big bang).
Other cosmologists are proposing an enormous decay in the speed of light. 10 Several of their theoretical problems with the big bang theory are solved if light once traveled millions of times faster—or if the universe was initially more compact and was later stretched out as explained on pages 449. For example, “the horizon problem” recognizes that opposite extremes of the universe have the same temperature. Why should this be? The universe isn’t old enough for such vastly separated regions ever to have had contact with each other. Light doesn’t travel fast enough—at least not today.
Figure㺋: Hubble Deep Field North. There are about 2 trillion galaxies in the visible universe! 12 The Hubble Space Telescope, searching for evolving galaxies in December 1995, focused for 10 continuous days on a tiny patch of sky, so small when viewed from Earth that a grain of sand held at arm’s length would cover that area. This picture of that tiny patch of sky is called Hubble Deep Field North. Most objects in it are not isolated stars, but galaxies , each containing billions of stars. Of the 3,000 galaxies photographed that emitted enough light to measure their redshifts, which presumably measure distance, all seemed surprisingly mature. As stated in Scientific American , “ . the formation of ‘ordinary’ spiral and elliptical galaxies is apparently still out of reach of most redshift surveys.” 13 Moreover, fully formed clusters of galaxies, not just galaxies, are seen at the greatest distances visible to the Hubble Space Telescope. 14 In 1998 and 2004, similar pictures—with similar results—were taken.
Think about this: There is not enough time in the age of the universe (even as evolutionists imagine it, times a billion ) for gravity to pull together all the particles comprising clusters of galaxies. 15 (As explained under “Galaxies” on page 36 , clusters of galaxies cannot form, even granting all this time.) Because the most current studies show fully-formed galaxies even farther away than those shown above, 16 creation becomes the logical and obvious alternative. We may be seeing galaxies as they looked months after they were created. Vast amounts of time are no longer needed. [See page 473.]
Atomic vs. Orbital Time. Why would the speed of light decrease? In 1981, T. C. Van Flandern, working at the U.S. Naval Observatory, showed that atomic clocks are probably slowing relative to orbital clocks. 11 He wrote:
The number of atomic seconds in a dynamical interval (such as a revolution of the Earth about the Sun) is becoming fewer. Presumably, if the result has any generality to it, this means that atomic phenomena are slowing down with respect to dynamical phenomena. . we cannot tell from existing data whether the changes are occurring on the atomic level or the dynamical level. 17
Orbital clocks are based on orbiting astronomical bodies, especially Earth’s one-year period about the Sun. Before 1967, one second of time was defined by international agreement as 1/31,556,925.9747 of the average time it takes Earth to orbit the Sun. However, atomic clocks are based on the vibrational period of the cesium-133 atom. In 1967, a second was redefined as 9,192,631,770 oscillations of the cesium-133 atom. Van Flandern showed that if atomic clocks are “correct,” the orbital speeds of Mercury, Venus, and Mars are increasing, so the gravitational “constant” should be changing. He also noted that if orbital clocks are “correct,” the gravitational constant is truly constant, but atomic vibrations and the speed of light are decreasing. The drift between the two types of clocks is only several parts per billion per year. But again, the precision of the measurements is so good that the discrepancy is probably real.
For the following three reasons, orbital clocks seem to be correct and the frequencies of atomic vibrations are probably slowing very slightly.
So, orbital clocks seem to be more accurate than the extremely precise atomic clocks. 18
Figure㺌: Atomic Clock. This is NIST-7, an atomic clock at the United States National Institute of Standards and Technology. If its time were compared with a similar clock 6-million years from now, they might differ by only one second! The latest development, called NIST-F2, achieves fifty times greater precision by cooling the vibrating atoms to nearly absolute zero. Despite the extreme precision of atomic clocks, we have no assurance that they are not all drifting relative to “true” time. In other words, we can marvel at the precision of atomic clocks, but we cannot be certain of their accuracy .
I initially doubted Setterfield’s claim, because the decrease in the speed-of-light measurements ceased in 1960. Large, one-time changes seldom occur in nature. The measurement techniques were precise enough to detect any decrease in the speed of light after 1960, if the trend of the prior three centuries had continued. Later, Setterfield realized that beginning in the 1960s, atomic clocks were used to measure the speed of light. If atomic frequencies are decreasing, then both the measured quantity (the speed of light) and the newly adopted measuring tool (atomic clocks) are changing at the same rate. Naturally, no relative change would be detected, and the speed of light would be constant in atomic time—but not orbital time.
Misconceptions. Does the decrease in the speed of light conflict with the statement frequently attributed to Albert Einstein that the speed of light is constant? Not really. Einstein said that the speed of light was not altered by the velocity of the light’s source. Setterfield says that the speed of light decreases over time.
Einstein’s statement that the speed of light is independent of the velocity of the light source, is called Einstein’s Second Postulate. (Many have misinterpreted it to mean that “Einstein said the speed of light is constant over time.”) Einstein’s Second Postulate is surprising, but probably true. Wouldn’t we expect a ball thrown from a fast train in the forward direction to travel faster than one thrown in the opposite direction, at least to an observer on the ground? While that is true for a thrown ball, some experimental evidence indicates it is not true for light. 19 Light, launched from a fast-moving train, will travel at the same speed in all directions. This strange property of light led to the more extensive theory of special relativity. 20
Some people give another explanation for why we see distant stars in a young universe. They believe that God created a beam of light between Earth and each star. Of course, a creation would immediately produce completed things. Instantly, they would look much older than they really are. This is called “creation with the appearance of age.” The concept is sound. However, for starlight, this presents two difficulties:
Therefore, starlight seems to have originated at stellar surfaces, not in empty space.
Surprising Observations. Starlight from distant stars and galaxies is redshifted that is, their light is redder than one might expect. Redshifted light is a wave effect, similar to the lower pitch of a train’s whistle when the train is going away from an observer. As the wave emitter (train or star) moves away from an observer, the waves are stretched, making them lower in pitch (for the train) or redder in color (for the star or galaxy). The greater a star’s or galaxy’s redshift, the faster it is supposedly moving away from us.
Since 1976, William Tifft, a University of Arizona astronomer, has found that distant stars and galaxies have redshifts that typically differ from each other by only a few fixed amounts. 21 This is very strange if stars are actually moving away from us. It would be as if galaxies could travel only at specific speeds, jumping abruptly from one speed to another, without passing through intermediate speeds. Other astronomers, not initially believing Tifft’s results, did similar work and reached the same conclusion—one that undermines the foundations of cosmology.
All atoms give off tiny bundles of energy (called quanta) of fixed amounts—and nothing in between. So, Setterfield believes that the “quantization of redshifts,” as many describe it, is an atomic effect, not a strange recessional-velocity effect. If space slowly absorbs energy from all emitted light, it would do so in fixed increments, which would redshift starlight, with the farthest star’s light red-shifting the most. If the speed of light is decaying, we should soon see the redshifts of a few distant galaxies suddenly decrease. This may explain why two distinct redshifts have been seen in each of several well-studied galaxies 22 they are obviously not flying apart!
Another surprising observation is that most distant galaxies look remarkably similar to nearer galaxies. For example, galaxies are fully developed and show no signs of evolving. This puzzles astronomers. 23 If the speed of light has decreased drastically— or if space and its light were stretched out during the creation week, as proposed on pages 449 – 464 —these distant, yet mature, galaxies no longer need explaining. Also, the light from a distant galaxy would have reached Earth not too long after the light from nearby galaxies. This may be why spiral galaxies, both near and far, have similar twists. [See Figure 10.]
A Critical Test. If the speed of light has decreased a millionfold, we should observe events in outer space in extreme slow motion. Here is why.
Imagine a time in the distant past when the speed of light was a million times faster than it is today. On a hypothetical planet, billions of light-years from Earth, a light started flashing toward Earth every second. Each flash then began a very long trip to Earth. Because the speed of light was a million times greater than it is today, those initial flashes were spaced a million times farther apart than they would have been at today’s slower speed of light.
Now, thousands of years later, imagine that throughout the universe, the speed of light has slowed to today’s speed. The first of those light flashes —strung out like beads sliding down a long string—are approaching Earth. The large distances separating adjacent flashes have remained constant during those thousands of years, so the moving flashes slowed in unison. Because the first flashes to strike Earth are spaced so far apart, they will strike Earth every million seconds. We would see past events on that distant planet (the flashing of a light) in slow motion. If the speed of light has been decreasing since the creation, then the farther out in space we look, the more extreme this slow motion becomes.
About half the stars in our galaxy are binary that is, each has a companion star. Both stars are in a tight orbit around their common center of mass. If the speed of light is decreasing, the “slow-motion effect,” should show the orbital periods of binaries decreasing with time and increasing with distance from Earth.
Hubble Measures Universe Expansion, Gets Intriguing Hints of ‘New Physics’
A team of U.S. astronomers has used the NASA/ESA Hubble Space Telescope to make a new measurement of the Hubble constant, the rate at which the Universe is expanding. The results, to be published in the Astrophysikalisches Journal, are forcing the scientists to consider that they may be seeing evidence of something unexpected at work in the Universe.
These Hubble images showcase two of the 19 galaxies analyzed in a project to improve the precision of the Hubble constant. The color-composite images show NGC 3972 (left) and NGC 1015 (right), located 59 million light-years and 117.42 million light-years, respectively, from Earth. The yellow circles in each galaxy represent the locations of pulsating stars called Cepheid variables. Image credit: NASA / ESA / A. Riess, STScI & JHU.
The team — led by Nobel Laureate Adam Riess, a professor of astronomy and physics at the Johns Hopkins University and a senior member of the science staff at the Space Telescope Science Institute — has been successful in refining the Hubble constant value by streamlining and strengthening the construction of the cosmic distance ladder, which astronomers use to measure accurate distances to galaxies near to and far from Earth.
The astronomers have compared those distances with the expansion of space as measured by the stretching of light from receding galaxies. They then have used the apparent outward velocity of galaxies at each distance to calculate the Hubble constant. But the Hubble constant’s value is only as precise as the accuracy of the measurements.
Scientists cannot use a tape measure to gauge the distances between galaxies. Instead, they have selected special classes of stars and supernovae as cosmic yardsticks or milepost markers to precisely measure galactic distances.
Among the most reliable for shorter distances are Cepheid variables, pulsating stars that brighten and dim at rates that correspond to their intrinsic brightness.
Their distances, therefore, can be inferred by comparing their intrinsic brightness with their apparent brightness as seen from Earth.
The new Hubble result is based on measurements of the parallax (apparent shift of an object’s position due to a change in an observer’s point of view) of eight Cepheids in our Milky Way Galaxy.
These stars are about 10 times farther away than any studied previously, residing between 6,000 light-years and 12,000 light-years from Earth, making them more challenging to measure.
They pulsate at longer intervals, just like the Cepheids observed by Hubble in distant galaxies containing another reliable yardstick, exploding stars called Type Ia supernovae. This type of supernova flares with uniform brightness and is brilliant enough to be seen from relatively farther away.
Previous Hubble observations studied 10 faster-blinking Cepheids located 300 light-years to 1,600 light-years from Earth.
To measure parallax with Hubble, Professor Riess and co-authors had to gauge the apparent tiny wobble of the Cepheids due to Earth’s motion around the Sun. These wobbles are the size of just 1/100 of a single pixel on the telescope’s camera, which is roughly the apparent size of a grain of sand seen 100 miles away.
Therefore, to ensure the accuracy of the measurements, they developed a clever method that was not envisioned when Hubble was launched. They invented a scanning technique in which the telescope measured a star’s position a thousand times a minute every six months for four years.
The authors calibrated the true brightness of the eight Cepheids and cross-correlated them with their more distant blinking cousins to tighten the inaccuracies in their distance ladder.
They then compared the brightness of the Cepheids and supernovae in those galaxies with better confidence, so they could more accurately measure the stars’ true brightness, and therefore calculate distances to hundreds of supernovae in far-flung galaxies with more precision.
Another advantage to the study is that the team used the same instrument, Hubble’s Wide Field Camera 3 (WFC3), to calibrate the luminosities of both the nearby Cepheids and those in other galaxies, eliminating the systematic errors that are almost unavoidably introduced by comparing those measurements from different telescopes.
This illustration shows three steps Professor Riess and co-authors used to measure the Hubble constant to an unprecedented accuracy, reducing the total uncertainty to 2.3%. Image credit: NASA / ESA / A. Field, STScI / A. Riess, STScI & JHU.
The new value of the Hubble constant reinforces the disparity with the expected value derived from observations of the early Universe’s expansion, 378,000 years after the Big Bang — the violent event that created the Universe roughly 13.8 billion years ago.
Those measurements were made by ESA’s Planck satellite, which maps the cosmic microwave background, a relic of the Big Bang. The difference between the two values is about 9%.
The new Hubble measurements help reduce the chance that the discrepancy in the values is a coincidence to 1 in 5,000.
Planck’s result predicted that the Hubble constant value should now be 67 km per second per megaparsec (3.3 million light-years), and could be no higher than 69 km per second per megaparsec. This means that for every 3.3 million light-years farther away a galaxy is from us, it is moving 67 km per second faster.
But Professor Riess and colleagues measured a value of 73 km per second per megaparsec, indicating galaxies are moving at a faster rate than implied by observations of the early Universe.
The Hubble data are so precise that astronomers cannot dismiss the gap between the two results as errors in any single measurement or method.
“Both results have been tested multiple ways, so barring a series of unrelated mistakes. It is increasingly likely that this is not a bug but a feature of the Universe,” Professor Riess said.
The team proposes a few possible explanations for the mismatch, all related to the 95% of the Universe that is shrouded in darkness.
One possibility is that dark energy, already known to be accelerating the cosmos, may be shoving galaxies away from each other with even greater — or growing — strength.
This means that the acceleration itself might not have a constant value in the Universe but changes over time.
Another idea is that the Universe contains a new subatomic particle that travels close to the speed of light.
Such speedy particles are collectively called ‘dark radiation’ and include previously-known particles like neutrinos, which are created in nuclear reactions and radioactive decays.
Unlike a normal neutrino, which interacts by a subatomic force, this new particle would be affected only by gravity and is dubbed a ‘sterile neutrino.’
Yet another attractive possibility is that dark matter interacts more strongly with normal matter or radiation than previously assumed.
Any of these scenarios would change the contents of the early Universe, leading to inconsistencies in theoretical models. These inconsistencies would result in an incorrect value for the Hubble constant, inferred from observations of the young cosmos. This value would then be at odds with the number derived from the Hubble observations.
Professor Riess and co-authors don’t have any answers yet to this vexing problem, but they will continue to work on fine-tuning the Universe’s expansion rate.
Adam G. Riess et al. 2018. New Parallaxes of Galactic Cepheids from Spatially Scanning the Hubble Space Telescope: Implications for the Hubble Constant. ApJ, in press arXiv: 1801.01120
This article is based on text provided by the National Aeronautics and Space Administration.
Galaxy Evolution is Much Faster Process than Previously Thought
The starburst galaxy ALESS 073.1 is seen as it was about 1.2 billion years after the Big Bang. Image credit: Cardiff University.
Galaxies come in a variety of shapes, sizes and colors, and are made up of different components such as rotating disks, spiral arms, and bulges (tightly packed groups of stars usually situated within the center of galaxies).
Cosmological models predict that galaxies forming in the early Universe experience a chaotic phase of gas accretion and star formation, followed by gas ejection.
Bulges of these galaxies may assemble later via mergers with other galaxies or internal evolution.
“We discovered that a massive bulge, a regular rotating disk, and possibly spiral arms were already in place in ALESS 073.1 when the Universe was just 10% of its current age,” said Dr. Federico Lelli, an astronomer in the School of Physics and Astronomy at Cardiff University.
“In other words, this galaxy looks like a grown adult, but it should be just a little child.”
Using data from the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), the astronomers measured the kinematic properties of the ALESS 073.1 galaxy.
They then modeled the mass distribution within the galaxy and found that it contains a massive stellar bulge and a uniformly rotating disk, features that models predict take billions of years to form.
“A galaxy like ALESS 073.1 just defies our understanding of galaxy formation,” Dr. Lelli said.
“This spectacular discovery challenges our current understanding of how galaxies form because we believed these features only arose in mature galaxies, not in young ones,” said Dr. Timothy Davis, also from the School of Physics and Astronomy at Cardiff University.