Чому розширення Всесвіту не впливає на нас?
Чому якщо тканина простору-часу розширюється це здається не впливає на нас? Невже такий глобальний феномен як розширення Всесвіту, яке здатне віддаляти галактики не впливає на нас? А також чому планети, супутники та зірки тримаються разом. Та галактики в нашій місцевій групі не втікають від нас а наближаються одна до одної. Не може ж розширення працювати вибірково, чи не так?
Історія появи ідеї розширення Всесвіту
Коли Альберт Ейншейн розробив силу тяжіння в загальній теорії відносності він зіштовхнувся з проблемою - якби все, що було у Всесвіті це величезна кількість матерії та енергії вся ця маса неминуче зколапусувала перетворивши Всесвіт у чорну діру. Звісно фізику ця ідея не сподобалася, тому він додав у свої рівняння виправлення у вигляді космологічної константи.
Якби у просторі існувала додаткова енергія відштовхуючи тіла один від одного це допомогло утримувати Всесвіт у рівновазі та запобігти стисканню. Додавши функцію у свої рівняння Ейнштейн міг описати Всесвіт як вічно стабільний та статичний. Але не всім подобався такий Всесвіт.
Одним із першим хто спробував його описати динамічним був Олександр Фрідман. Він показав, що незалежно від того додавати чи не додавати космологічну константу до рівнянь Ейншейна Всесвіт повинен або стискатися, або розширюватися.
Одне із найбільших відкриттів стосовнго ідеї розширення Всесвіту зробив Едвін Габбл спостерігаючи за змінними Цифеїдами в туманності Андромеди він виявив що Цифеїди знаходяться за межами Чумацького Шляху таким чином Андромеда стала офіційно галактикою, а не місцем народження зір у Чумацьому Шляху.
Майже паралельно з цим Весто Слайфер виявлив що світло від так званних спіральних туманностей можна розділити на спектр. Потім у цих спектрах можна було помітити лінії, кожна з яких відповідала певному хімічному елементі у джерела світла.
Але якщо це джерело світла віддаляється його світло зміщується у бік червоного. Таким чином Слайфер помітив, що майже всі туманності віддаляються від Землі.
На основі даних Слайфера Едвін Габбл зрозумів що відхилення у спектрі було пропорційно відстані від Землі до джерела випромінювання. Це означало, що галактики розташовані дальше від нас віддалялися швидше ніж галактики поряд з нами. Іншими словами Всесвіт повинен розширюватися. То ж завдяки цим дослідженням ідея розширення перетворилася в основну ідею опису нашого Всесвіту, а сьогодні відомо, що це розширення навіть прискорюється.
Як розширення простору впливає на речовину, що знаходиться в космосі?
Якщо б вся речовина рівномірно була б розподілена у Всесвіті, то під час розширення вона просто ставала менш щільною і ми дійсно бачили, як усе з плином часу розширюється, але Всесвіт не ідеально рівний та однорідний.
Так ранній Всесвіт був майже рівномірно розподілений газом, який розширювався скрізь, але ключове слово майже.
В деяких місцях був більш щільнішим , а в деяких менш щільним. Місця де він був більш щільним мали більшу масу, а отже більшу гравітацію. Тож якщо її щільність буде достатньо високою то її гравітації буде достатньо, щоб подолати розширення. Так частинки речовини не будуть розлітатися, а створювати гравітаційно пов'язані структури. Саме ці структури ми бачимо у вигляді скупчень галактик або на менших масштабах у вигляді галактик, зірок та планет.
Так відбувається що на рівні людських тіл домінують ядерні сили, на масштабах зоряних систем та галактик домінує гравітація, але насправді велика боротьба починається на масштабах всього Всесвіту де розширення врешті-решт переможе.
На таких масшабах сила розширення Всесвіту настільки висока, що віддаленні галактики віддаляються так швидко жо жодні сигнали із швидкістю світла ніколи їх не досягнуть. Такі структури як скупчення галакти - довгі ниткоподібні структури в мільярди світлових років врешті решт розтягнуться і знищаться в межах розширення Всесвіту. В продовж наступних декілька мільярдів років вони просто припинять своє існування.
Навіть найбільше скупчення в бік якого рухається Чумацький Шлях так і не встигне поглинути нашу галактику. Незважаючи на колосальну силу тяжіння розширення Всесвіту переможе, але на менших масшабах її можна подолати.
Як утримуються зоряні системи впротивагу розширення Всесвіту
Розширення можна подолати на менших відстаннях, оскільки гравітаційна сила має більше часу для утворення щільних структур. Власне скупчення Діви залишається гравітаційно зв'язаним, як і Чумацький Шлях та всі галактики місцевих груп, які об'єднані гравітацією.
Земля буде обертатися навколо Сонця на однаковій відстані. Сама Земля залишиться того ж розміру і не буде розширюватися. Також маса її не зміниться, а атоми елементів з яких складається Земля не будуть розширюватися. Тому, що розширення Всесвіту дійсно впливає лише тоді коли інші сили гравітаційна та ядерна чи електромагнітна ще його не подолали.
Якщо якась сила може успішно тримати об'єкти разом навіть розширення Всесвіту нічого не змінить. Причина цього пов'язана з тим, що саме розширення це не сила, а - швидкість. Простір дійсно розширюється на всіх масштабах, але розширення не впливає на речі безпосередньо.
Існує певна швидкість з якою простір буде розширюватися між будь якими двома об'єктами і ми маємо її порівняти із швидкістю наближення цих об'єктів.
Найкраще це розглянути на прикладі нашої галактики та Андромедою, які не дивлячись на розширення невпинно рухаються одна до одної і через 4-5 мільярдів років об'єднаються.
Швидкість розширення Всесвіту складає приблизно 70 км/с/Мпарсек, але варто зауважити, що це число може бути неточним, оскільки науковці пробують його розрахувати різними методами, які дають різні результати.
Умовна галактика яка буде знаходитися від нас на відстані 1 000 000 000 світлових років буде віддалятися від нас зі швидкістю 22 000 км/с(7% від швидкості світла)
Галактика, яка буде в 10 разів ближче швидкість втікання буде в 10 разів меншою, тобто 2200 км/с
Але Андромеда знаходиться від нас на відстані 2 500 000 світлових років від нас, а це означає, що швидкість розширення несе її від нас зі швидкість 60 км/с від нас.
Для таких масшабів подібної швидкості буде недостатньо, щоб назважди позбавити нас нашого великого сусіда. Гравітаційні сили достатні щоб врешті решт подолати розширення.
Зараз Андромеда мчить до нас зі швидкістю 110 км/с і це вже із урахуванням розширення, тобто без нього швидкість зближення була б ще більшою.
І це та сама причина, чому Сонячна система не розривається, адже швидкість розширення буде нескінченно малоб на такому локальному рівні, гравітація набагато сильніша за розширення і тим паче за швидкість розширення надзвичайно малою в порівнянні із ядерними силами на яких працюють атоми наших тіл.