Trött ljus
| Del av en serie om |
| fysisk kosmologi |
|---|
Trött ljus är en klass av hypotetiska rödförskjutningsmekanismer som föreslogs som en alternativ förklaring till förhållandet mellan rödförskjutning och avstånd . Dessa modeller har föreslagits som alternativ till de modeller som kräver metrisk expansion av rymden där Big Bang och Steady State- kosmologierna är de mest kända exemplen. Konceptet föreslogs först 1929 av Fritz Zwicky , som föreslog att om fotoner förlorade energi över tiden genom kollisioner med andra partiklar på ett regelbundet sätt, skulle de mer avlägsna objekten se rödare ut än de närliggande. Zwicky själv erkände att någon form av spridning av ljus skulle sudda ut bilderna av avlägsna föremål mer än vad som syns. Dessutom har ytljusstyrkan för galaxer som utvecklas med tiden , tidsutvidgning av kosmologiska källor och ett termiskt spektrum av den kosmiska mikrovågsbakgrunden observerats - dessa effekter bör inte vara närvarande om den kosmologiska rödförskjutningen berodde på någon trött ljusspridningsmekanism. 2006 föreslog Lyndon Ashmore en alternativ modell med namnet "New Tired Light". I denna modell beror energiförlusten för fotoner över avstånd på rekyl av elektroner när de interagerar med fotoner, absorberar och återutsänder primär och sekundär strålning, vilket leder till rödförskjutning. Eftersom den primära strålningen vid återutsändning är i siktlinjen, skulle ingen suddighet uppstå. Dessutom publicerades i en tidning som rapporterade att för första gången spridningsmåttet för en snabb radioskur och rödförskjutningen av en värdgalax hade hittats, var dessa resultat inom 1,2 % felmarginal som förutspåtts av New Tired Light tio år tidigare.
Historia och mottagande
Trött ljus var en idé som kom till på grund av Edwin Hubbles observation att avlägsna galaxer har rödförskjutningar som är proportionella mot deras avstånd . Rödförskjutning är en förskjutning i spektrumet av den emitterade elektromagnetiska strålningen från ett objekt mot lägre energier och frekvenser, associerat med fenomenet Dopplereffekten . Observatörer av spiralnebulosor som Vesto Slipher observerade att dessa objekt (nu kända för att vara separata galaxer ) i allmänhet uppvisade rödförskjutning snarare än blåförskjutningar oberoende av var de var lokaliserade. Eftersom förhållandet håller i alla riktningar kan det inte hänföras till normal rörelse med avseende på en bakgrund som skulle visa ett urval av rödförskjutningar och blåförskjutningar. Allt rör sig bort från Vintergatans galax. Hubbles bidrag var att visa att storleken på rödförskjutningen korrelerade starkt med avståndet till galaxerna.
Baserat på Sliphers och Hubbles data insåg Georges Lemaître 1927 att denna korrelation passade icke-statiska lösningar till ekvationerna i Einsteins gravitationsteori, Friedmann-Lemaître-lösningarna. Lemaîtres artikel uppskattades dock först efter Hubbles publicering av 1929. Den universella rödförskjutning-avståndsrelationen i denna lösning kan tillskrivas effekten ett expanderande universum har på en foton som färdas med ett noll rumtidsintervall (även känd som en " ljusliknande " geodetik ). I denna formulering fanns det fortfarande en analog effekt med Dopplereffekten , även om relativa hastigheter måste hanteras med mer försiktighet eftersom avstånd kan definieras på olika sätt i expanderande metriker .
Samtidigt föreslogs andra förklaringar som inte stämde överens med allmän relativitet. Edward Milne föreslog en förklaring som var kompatibel med speciell relativitetsteori men inte generell relativitetsteori att det fanns en gigantisk explosion som kunde förklara rödförskjutningar (se Milnes universum ). Andra föreslog att systematiska effekter kunde förklara korrelationen mellan rödförskjutning och avstånd. I denna linje Fritz Zwicky en "trött ljus"-mekanism 1929. Zwicky föreslog att fotoner långsamt skulle kunna förlora energi när de färdas över stora avstånd genom ett statiskt universum genom interaktion med materia eller andra fotoner, eller genom någon ny fysisk mekanism. Eftersom en minskning av energi motsvarar en ökning av ljusets våglängd , skulle denna effekt ge en rödförskjutning i spektrallinjer som ökar proportionellt med källans avstånd. Termen "trött ljus" myntades av Richard Tolman i början av 1930-talet som ett sätt att referera till denna idé. Helge Kragh har noterat "Zwickys hypotes var det mest kända och mest utarbetade alternativet till det expanderande universum, men det var långt ifrån det enda. Mer än ett dussin fysiker, astronomer och amatörforskare föreslog på 1930-talet trötta-ljus-idéer som hade gemensamma antagandet om nebulära fotoner som interagerar med intergalaktisk materia till vilken de överförde en del av sin energi." Kragh noterade särskilt John Quincy Stewart , William Duncan MacMillan och Walther Nernst .
Trötta ljusmekanismer var bland de föreslagna alternativen till Big Bang och Steady State- kosmologierna , som båda förlitade sig på den allmänna relativistiska expansionen av universum av FRW-metriken. Under mitten av 1900-talet stödde de flesta kosmologer ett av dessa två paradigm , men det fanns några vetenskapsmän, särskilt de som arbetade med alternativ till allmän relativitetsteori, som arbetade med alternativet för trött ljus. När disciplinen observationskosmologi utvecklades i slutet av 1900-talet och associerade data blev fler och mer exakta, framträdde Big Bang som den kosmologiska teorin som mest stöddes av observationsbevisen, och den förblir den accepterade konsensusmodellen med en aktuell parametrisering som just specificerar universums tillstånd och utveckling. Även om förslagen om "trötta ljuskosmologier" nu mer eller mindre förpassats till historiens soptunna, ansågs trötta ljuskosmologier som ett helt alternativt förslag vara en avlägsen möjlighet som var värd en del övervägande i kosmologitexter långt in på 1980-talet, men det avfärdades som ett osannolikt och ad hoc -förslag av vanliga astrofysiker.
På 1990-talet och in på det tjugoförsta århundradet har ett antal förfalskande observationer visat att "trött ljus"-hypoteser inte är hållbara förklaringar till kosmologiska rödförskjutningar. Till exempel, i ett statiskt universum med trötta ljusmekanismer bör stjärnors och galaxers ytljusstyrka vara konstant, det vill säga ju längre ett objekt är desto mindre ljus får vi, men dess skenbara yta minskar också, så ljuset som tas emot dividerat med den skenbara arean bör vara konstant. I ett expanderande universum minskar ytans ljusstyrka med avståndet. När det observerade objektet drar sig tillbaka sänds fotoner ut med en reducerad hastighet eftersom varje foton måste förflytta sig ett avstånd som är lite längre än det föregående, medan dess energi minskar lite på grund av ökande rödförskjutning på ett större avstånd. Å andra sidan, i ett expanderande universum, verkar objektet vara större än det egentligen är, eftersom det var närmare oss när fotonerna började sin resa. Detta orsakar en skillnad i ytglans hos objekt mellan ett statiskt och ett expanderande universum. Detta är känt som Tolmans ytljusstyrketest som i dessa studier gynnar hypotesen om det expanderande universum och utesluter modeller av statiskt trött ljus.
Rödförskjutning är direkt observerbar och används av kosmologer som ett direkt mått på tillbakablickstid . De hänvisar ofta till ålder och avstånd till objekt i termer av rödförskjutning snarare än år eller ljusår. I en sådan skala motsvarar Big Bang en rödförskjutning av oändlighet. Alternativa gravitationsteorier som inte har ett expanderande universum i sig behöver ett alternativ för att förklara överensstämmelsen mellan rödförskjutning och avstånd som är sui generis till den expanderande metriken för allmän relativitet. Sådana teorier kallas ibland för "trött-ljus-kosmologier", även om inte alla författare nödvändigtvis är medvetna om de historiska föregångarna.
Specifika förfalskade modeller
I allmänhet måste varje "trött ljus"-mekanism lösa några grundläggande problem, eftersom den observerade rödförskjutningen måste:
- tillåta samma mätning i alla våglängdsband
- inte uppvisa suddighet
- följ den detaljerade Hubble-relationen som observerats med supernovadata (se accelererande universum )
- förklara associerad tidsutvidgning av kosmologiskt avlägsna händelser.
Ett antal trötta ljusmekanismer har föreslagits genom åren. Fritz Zwicky undersökte i sin artikel som föreslog dessa modeller ett antal rödförskjutningsförklaringar och uteslöt några själv. Den enklaste formen av en trött ljusteori antar en exponentiell minskning av fotonenergi med tillryggalagd sträcka:
där är energin för fotonen på avstånd från ljuskällan, är fotonens energi vid ljuskälla, och är en stor konstant som kännetecknar "utrymmets motstånd". För att motsvara Hubbles lag måste konstanten vara flera giga parsecs . Till exempel övervägde Zwicky om en integrerad Compton-effekt skulle kunna förklara skalnormaliseringen av ovanstående modell:
... ljus som kommer från avlägsna nebulosor skulle genomgå en förskjutning till det röda av Compton-effekten på de fria elektronerna [i interstellära utrymmen] [...] Men då skulle ljuset spritt i alla riktningar göra det interstellära utrymmet oacceptabelt ogenomskinligt som förfogar över ovanstående förklaring. [...] det är uppenbart att varje förklaring baserad på en spridningsprocess som Compton-effekten eller Raman-effekten etc. kommer att vara i en hopplös position vad gäller bildernas goda definition.
Denna förväntade "oskärpa" av kosmologiskt avlägsna objekt syns inte i observationsbevisen, även om det skulle krävas mycket större teleskop än de som fanns tillgängliga vid den tiden för att visa detta med säkerhet. Alternativt föreslog Zwicky en slags Sachs-Wolfe-effektförklaring för rödförskjutningsavståndsrelationen:
Man kan förvänta sig en förskjutning av spektrallinjer på grund av skillnaden mellan den statiska gravitationspotentialen på olika avstånd från en galaxs centrum. Denna effekt har naturligtvis inget samband med den observerade galaxens avstånd från vårt eget system och kan därför inte ge någon förklaring till fenomenet som diskuteras i detta dokument.
Zwickys förslag presenterades noggrant som falsifierbara enligt senare observationer:
... [en] gravitationsanalog av Compton-effekten [...] Det är lätt att se att ovanstående rödförskjutning bör bredda dessa absorptionslinjer asymmetriskt mot det röda. Om dessa linjer kan fotograferas med tillräckligt hög spridning kommer förskjutningen av linjens tyngdpunkt att ge rödförskjutningen oberoende av hastigheten i systemet från vilket ljuset emitteras.
Sådan breddning av absorptionslinjer ses inte i objekt med hög rödförskjutning, vilket falsifierar denna speciella hypotes. [ bar URL ]
Zwicky noterar också, i samma tidning, att enligt en trött ljusmodell skulle ett avstånd-rödförskjutningsförhållande nödvändigtvis vara närvarande i ljuset från källor inom vår egen galax (även om rödförskjutningen skulle vara så liten att det skulle vara svårt att mäta ), som inte förekommer under en lågkonjunkturbaserad teori. Han skriver, med hänvisning till ljuskällor inom vår galax: "Det är särskilt önskvärt att bestämma rödförskjutningen oberoende av de rätta hastigheterna för de observerade objekten". Efter detta har astronomer tålmodigt kartlagt det tredimensionella hastighetspositionsfasutrymmet för galaxen och funnit att rödförskjutningar och blåförskjutningar av galaktiska objekt stämmer väl överens med den statistiska fördelningen av en spiralgalax, vilket eliminerar den inneboende rödförskjutningskomponenten som en effekt .
Efter Zwicky 1935 jämförde Edwin Hubble och Richard Tolman recessionell rödförskjutning med en icke recessionell, och skrev att de
båda lutar dock åt åsikten att om rödförskjutningen inte beror på recessionell rörelse, kommer dess förklaring troligen att involvera några helt nya fysiska principer [... och] användning av en statisk Einstein-modell av universum, i kombination med antagandet att fotonerna som emitteras av en nebulosa förlorar energi på sin resa till observatören av någon okänd effekt, som är linjär med avståndet, och som leder till en minskning av frekvensen, utan nämnvärd tväravböjning.
Dessa villkor blev nästan omöjliga att uppfylla och den övergripande framgången för generella relativistiska förklaringar för förhållandet mellan rödförskjutning och avstånd är en av de centrala anledningarna till att Big Bang-modellen av universum förblir den kosmologi som forskare föredrar.
I början av 1950-talet föreslog Erwin Finlay-Freundlich en rödförskjutning som "resultatet av förlust av energi genom att observerade fotoner korsar ett strålningsfält". som citerades och argumenterades för som en förklaring till förhållandet mellan rödförskjutning och avstånd i en astrofysikteori Nature paper från 1962 av University of Manchester fysikprofessor PF Browne. Den framstående kosmologen Ralph Asher Alpher skrev ett brev till Nature tre månader senare som svar på detta förslag som kraftigt kritiserade tillvägagångssättet, "Ingen allmänt accepterad fysisk mekanism har föreslagits för denna förlust." Ändå, tills den så kallade "Age of Precision Cosmology" inleddes med resultat från WMAP- rymdsonden och moderna rödförskjutningsundersökningar , kunde trötta ljusmodeller ibland publiceras i vanliga tidskrifter, inklusive en som publicerades i februari 1979-upplagan of Nature som föreslog "fotonförfall" i en krökt rymdtid som fem månader senare kritiserades i samma tidskrift för att vara helt oförenlig med observationer av gravitationsrödförskjutningen som observerades i solens extremitet . 1986 publicerades en tidning som hävdade trötta ljusteorier förklarade rödförskjutning bättre än kosmisk expansion i Astrophysical Journal , men tio månader senare, i samma tidskrift, visades sådana trötta ljusmodeller vara oförenliga med befintliga observationer. När kosmologiska mätningar blev mer exakta och statistiken i kosmologiska datamängder förbättrades, slutade trötta ljusförslag med att förfalskas, till den grad att teorin beskrevs 2001 av vetenskapsförfattaren Charles Seife som "fast i utkanten av fysiken för 30 år sedan Ändå sökte forskare mer direkta bevis för utvidgningen av kosmos".