Strona głównaPytania → Prędkość rozszerzania się Wszechświata oraz...

Prędkość rozszerzania się Wszechświata oraz propagacji grawitacji

Pytanie

Pyta Dariusz

1. Jaka jest prędkość rozszerzania się Wszechświata od początku Wielkiego Wybuchu aż do chwili obecnej? Jeśli ta prędkość była przynajmniej w pewnym przedziale czasu większa od prędkości światła, a tak miało być zgodnie z teorią inflacji Alana Gutha, to może to oznaczać, że nie cała materia we Wszechświecie jest powiązana grawitacyjnie.
2. W wyniku jakich pomiarów lub doświadczeń stwierdzono, że grawitacja rozchodzi się z prędkością światła?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

ad 1. Nim pomówimy o Wszechświecie, rozważmy taki przykład: bardzo duży balon w kropki jest nadmuchiwany z taką prędkością, że każde dwie kropki odległe od siebie o 1cm oddalają się od siebie z prędkością 1mm na rok, odległe o 2cm — 2mm na rok, odległe o 3cm — 3mm na rok, itd. Nie możemy odpowiedzieć na pytanie „jaka jest prędkość nadmuchiwania balonu” dopóki ktoś nam nie poda całkowitych rozmiarów balonu. Całkowitych rozmiarów Wszechświata nie znamy. Wiemy tylko, że dwie galaktyki odległe o miliard lat świetlnych oddalają się obecnie od siebie z prędkością (0.0737 roku świetlnego) na rok, dwa razy odleglejsze — dwa razy szybciej, itd. Sygnały dochodzące do nas z bardzo dużych odległości (kilkanaście miliardów lat świetlnych) pochodzą z wczesnych etapów rozwoju Wszechświata, kiedy galaktyki nie zdążyły się jeszcze uformować.

Ogólna Teoria Względności mówi nam, że przelatujące w pobliżu siebie obiekty nie mogą się poruszać względem siebie szybciej niż światło. Natomiast pojęcie względnej prędkości obiektów znajdujących się daleko od siebie w zakrzywionej czasoprzestrzeni staje się do pewnego stopnia kwestią umowną (zależną od wyboru układu współrzędnych). Opisując rozszerzający się Wszechświat dokonujemy pewnego wyboru konwencji, i w ramach tej konwencji możemy mówić o istnieniu galaktyk oddalających się od nas obecnie z prędkościami ponadświetlnymi. Sygnały wysyłane teraz przez nie w naszym kierunku nie dotrą do nas nigdy.

Teoria inflacji Gutha, Lindego i Starobinskiego pomaga nam zrozumieć dlaczego widzialny dla nas fragment Wszechświata był w początkowych etapach swojego rozwoju tak bardzo jednorodny, jak wskazuje na to analiza promieniowania tła (wyemitowanego około 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu). Jeśli inflacja miała miejsce, to wszystkie punkty rozważanego fragmentu mogły mieć ze sobą w przeszłości związek przyczynowy poprzez grawitację lub inne oddziaływania (np. elektromagnetyczne). Widzialny dla nas fragment Wszechświata jest czasem w literaturze nazywany po prostu „Wszechświatem”, i mówiąc np. o jego objętości mówimy o „objętości Wszechświata”. Teoria inflacji nie wyklucza jednak istnienia innych fragmentów Wszechświata, które nie mają z naszym fragmentem żadnych związków przyczynowych.

Domyślam się, że użyte w pytaniu określenie „powiązanie grawitacyjne” miało tak naprawdę oznaczać „związki przyczynowe”.

ad 2. Do niedawna odpowiedź na to pytanie ograniczałaby się do stwierdzenia, że rozchodzenie się oddziaływań grawitacyjnych (w tym fal grawitacyjnych) dokładnie z prędkością światła $c$ jest jednym z podstawowych wniosków z Ogólnej Teorii Względności, a teorię tę przetestowaliśmy na wiele sposobów. Sytuację tę zmienia ogłoszona przed miesiącem pierwsza bezpośrednia detekcja fal grawitacyjnych. Dwa detektory odległe o $3002\,{\rm km}$ zmierzyły sygnał ze względnym opóźnieniem około 7 milisekund. Gdyby kierunek rozchodzenia się fali był równoległy do prostej łączącej te detektory, otrzymalibyśmy prędkość $(3002\,{\rm km})/(7\,{\rm ms}) \simeq 1.4\,c$. Uwzględniając możliwość braku równoległości stwierdzamy, że $1.4\,c$ jest obecnie górną granicą eksperymentalną na prędkość rozchodzenia się zaobserwowanego sygnału.

W niedalekiej przyszłości spodziewamy się wielu nowych obserwacji fal grawitacyjnych, wraz z dokładniejszym wyznaczeniem położenia ich źródeł na niebie (w tym celu muszą działać więcej niż dwa niezależne detektory), a także z ewentualną detekcją skorelowanych błysków promieniowania gamma z tych samych źródeł. To ostatnie umożliwiłoby bardzo dokładny bezpośredni pomiar stosunku prędkości fal grawitacyjnych do prędkości światła.