Kai žiniasklaidoje pranešama apie naują atrastą labai tolimą astronominį objektą, antai tolimiausią galaktiką ar supernovos sprogimą, galima aptikti frazę, kad tas objektas yra už kiek nors milijardų šviesmečių.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Iš pirmo žvilgsnio viskas atrodytų logiška: jei atradimo svarba yra tai, kad objektas labai tolimas ar net pats tolimiausias, tai svarbu parašyti, koks gi atstumas jį skiria Žemės. Bet problema yra ta, kad pateikiami atstumai yra visiškai klaidingi. Teisinga būtų rašyti, kad objektas yra matomas toks, koks buvo prieš X milijardų metų, o tai nėra tas pats, kad X milijardų šviesmečių atstumas. Skirtumas atsiranda todėl, kad Visata plečiasi.
Kai aptinkami tokie tolimi objektai, mokslininkai tiesiogiai negali nustatyti, koks atstumas juos skiria nuo mūsų. Dažniausiai išmatuojamas objekto raudonasis poslinkis – spektro linijų pasislinkimas į didesnio bangos ilgio pusę. Ši vertė įstatoma į atitinkamas kosmologines lygtis, kurios leidžia apskaičiuoti tolimo nuo mūsų objekto greitį, atstumą iki to objekto ir laiką, kurį šviesa keliavo nuo to objekto.
Pastarasis parametras, vadinamas atgrąžos laiku (angl. lookback time), yra labai svarbus, nes jis parodo, kokio senumo vaizdą matome: jei objekto šviesa iki mūsų keliavo 10 milijardų metų, tai matome jį tokį, koks jis buvo praėjus 3,8 milijardo metų po Didžiojo sprogimo. Jei atgrąžos laikas yra 13 milijardų metų, matome mažytį gabaliuką Visatos, kuriai dar nebuvo nė milijardo metų.
Ankstyvojoje Visatoje dėjosi daug labai įdomių dalykų – pirmosios žvaigždės jonizavo medžiagą, formavosi pirmosios galaktikos ir žiebėsi pirmieji aktyvūs branduoliai, sprogo pirmosios supernovos ir atsirado cheminiai elementai, sunkesni už litį. Nenuostabu, kad norisi kuo detaliau ištirti tą laikotarpį, taigi kiekvieno objekto iš tų laikų atradimas yra vertas dėmesio įvykis. Tačiau atgrąžos laikas, išreikštas metais, nėra lygus atstumui, išreikštam šviesmečiais, kaip dažniausiai būna parašoma žiniasklaidoje.
Kaip čia taip? Paaiškinti pabandysiu pasitelkdamas analogiją. Tarkime, bėgiais važiuoja traukinys, o jūs jį vejatės dviračiu. Traukinys važiuoja lėtai, jūs – gana greitai, taigi pradėjęs ties traukinio sąstato pabaiga, nuvažiavęs kilometrą jau pralenkiate priekyje esantį garvežį. Ar tai reiškia, kad traukinio ilgis yra vienas kilometras? Tikrai ne! Arba paimkime kitą, dar panašesnę į realybę, analogiją. Du žmonės stovi per pusšimtį žingsnių vienas nuo kito. Pirmasis perduoda jums raštelį, kurį turite paduoti antrajam, tada abu žmonės ima eiti tolyn vienas nuo kito. Jūs pasileidžiate bėgti antrojo žmogaus link ir paduodate jam raštelį, nubėgęs šimtą žingsnių. Koks atstumas tarp žmonių? Juk tikrai ne šimtas žingsnių, ar ne?
Tas pats yra ir Visatoje: perduodama žinia yra šviesos greičiu lekiantys fotonai, o žmonės – tolimos galaktikos, tolstančios viena nuo kitos dėl Visatos plėtimosi. Jeigu Visata nesiplėstų ir visi objektų būtų, kur buvę, tuomet atstumą tikrai gautume šviesos kelionės laiką padauginę iš šviesos greičio. Toks sąryšis tinkamas naudoti mūsų Galaktikoje, net ir kalbant apie aplinkines galaktikas jis netikslus tik labai nežymiai. Bet kuo toliau nuo kosminių apylinkių tolstame, tuo labiau atsiskiria tikrasis atstumas ir „šviesos kelio“ atstumas. Tą suprasti gal padės žemiau esanti diagrama.
Turime du objektus – A ir B. Kažkuriuo metu juos skiria Atstumas 1. Objektas A išspinduliuoja šviesą, kuri juda objekto B link ir pasiekia jį po kažkiek laiko. Per tą laiką dėl Visatos plėtimosi atstumas tarp objektų išauga iki Atstumo 2. Šviesos nueitas kelias lygus atgrąžos laikui, padaugintam iš šviesos greičio. Tačiau atstumas tarp objektų, ar tai būtų Atstumas 1, ar Atstumas 2, nėra lygus tam keliui – Atstumas 1 yra mažesnis, o Atstumas 2 – didesnis. Taigi šviesos nueitas kelias, nors ir yra susijęs su atstumu tarp objektų, nėra jam lygus.
Koks gi tuomet yra tikrasis atstumas? Kaip minėjau aukščiau, jį irgi galima apskaičiuoti pasinaudojus kosmologinėmis lygtimis, žinant objekto raudonąjį poslinkį. Tiesa, atstumų yra ne vienas – priklauso nuo to, ką norime išmatuoti. Yra „tikrasis“ atstumas (angl. proper distance), kurį gautume paėmę labai ilgą liniuotę ir padėję ją tarp dominančių objektų. Yra „kartu judantis“ atstumas (angl. comoving distance), kuris lygus tikrajam atstumui, padalintam iš Visatos mastelio faktoriaus.
Mastelio faktorius parodo, kiek Visata yra didesnė ar mažesnė už dabartinę dėl visuotinio plėtimosi; sutartinai laikoma, kad dabar mastelio faktorius lygus vienetui, taigi šiuo metu tikrasis ir kartu judantis atstumai yra vienodi. Jei žinome iš objekto mus pasiekiantį spinduliuotės srautą ir norime rasti jo šviesį, reikia skaičiuoti šviesio atstumą (angl. luminosity distance); jei išmatavome objekto kampinį dydį ir norime nustatyti jo tikruosius gabaritus – kampinio skersmens atstumą (angl. angular diameter distance). Šviesio ir tikrasis atstumai yra didesni, nei šviesos nueitas kelias, o kampinio skersmens atstumas – mažesnis. Tikrasis atstumas iki regimosios Visatos krašto, atitinkantis 13,8 milijardų metų atgrąžos laiką, yra apie 14 gigaparsekų, arba 46 milijardai šviesmečių.
Kaip matome, Visatos plėtimasis leidžia mums matyti daugiau nei trigubai toliau, negu galėtume įsivaizduoti. Gali kilti klausimas, kaip gi Visata galėjo išsiplėsti iki dydžio, didesnio už 13,8 milijardo šviesmečių. Atsakymas yra paprastas – Visatos plėtimuisi šviesos greitis nėra jokia riba. Šviesos greitis riboja, kokiu greičiu objektai gali judėti erdvėje, tuo tarpu Visatos plėtimasis yra pačios erdvės plėtimasis, tad dėl jo objektai vienas nuo kito gali tolti greičiau už šviesą (apie tai rašiau seniau). Todėl ir Visatos dydžio neriboja jos amžius, padaugintas iš šviesos greičio.
