Et af de mest fundamentale spørgsmål i kosmologi, relaterer sig til udviklingen af universet – hvordan det begyndte, hvordan det blev til universet vi ser i dag, og hvordan det vil ændre sig i fremtiden. I mange astronomibøger og –artikler der behandler dette emne, ser man tit en position-mod-tidsgraf, som den der er vist i figur 6.9. I denne graf, præsenteres fire mulige scenarier for udvidelsen af universet i fortiden, nutiden og fremtiden. Observationer af udvidelsesraten viser, at den blev bremset i noget tid i fortiden, og herefter begyndte at accelerere, så det betaler sig at forstå, hvordan begge disse begreber genkendes på grafen. Denne graf er anvendelig, fordi den formidler en stor mængde information, og dette afsnit er dedikeret til, at lære dig at opsnuse denne information. Ved afslutningen af dette afsnit, bør du forstå, hvorfor akserne er navngivet som de er, hvordan grafen indebærer et Big Bang, hvordan universet alder aflæses ud fra grafen, og hvordan universets skæbne er, for hver af kurverne. Selvom denne sektion ikke indeholder mange matematiske beregninger, Understreger det med bredt anvendelige kvantitative ræsonnementsfærdighed i at læse og tolke grafer.
6.5.1 – Kosmologiske position-mod-tid grafer
Hvis du sammenligner den kosmologiske position-mod-tidsgraf i dette afsnit, med den generiske position-mod-tidsgrafer i afsnit 6.4.5, kan du se to vigtige forskelle. Den første er, at den lodrette akse er placeret nær midten af grafen, i stedet for helt til venstre. Det er fordi, den kosmologiske position-mos-tidsgraf ser i dag (nutid) til at være ”nul-tiden” og placerer derfor den lodrette akse ved denne tid, med fortiden mod venstre og fremtiden mod højre.
På den måde, kan hele universets historie og fremtid, vises på den samme graf. Figur 6.9 viser en kommenteret udgave af en kosmologisk position-mod-tid graf.
Den anden forskel for kosmologiske position-mod-tidsgrafer er, at den lodrette akse er navngivet ”størrelse” frem for position. Årsagen til at størrelse er i citationstegn er, at størrelsen på hele universet ikke er kendt, og faktisk kan være umulig at fastslå. Observationer kan kun se på det ”observerbare univers”, hvilket er den del af rummet, fra hvilken lys har haft tid nok til at nå Jorden. Hele universet kan være meget større, eller måske endda uendeligt.
I virkeligheden repræsenterer den lodrette akse i en kosmologisk position-mod-tidsgraf, faktisk galaksernes gennemsnitlige afstand til hinanden, hvilket er en målbar størrelse. Den gennemsnitlige afstand mellem galakserne, øges i opadgående retning på disse grafer, hvilket betyder, at galakserne ligger længere fra hinanden højt på grafen og tættere sammen lavt på grafen. Nogle astronomibøger anvender størrelse for et navn til den lodrette akse, fordi det er intuitivt at forestille sig et fuldt objekt som vokser eller skrumper, og denne graf repræsenterer udviklingen af hele universet. Andre bøger kan anvende det mere korrekte ord ”galakseadskillelse” eller lignende navngivning til den lodrette akse, der er baseret på virkelige målinger af den gennemsnitlige afstand mellem galakserne.
Bemærk også, at kurverne for de fire scenarier for universets udvikling vist i figur 6.9, samles i et punkt på den lodrette akse, ved en tid som svarer til i dag (nutiden). Det er fordi, afstanden mellem galakserne i dag, kendes fra observationer, så ethvert plausibelt scenarie for universets udvidelse, skal passere gennem dette punkt.
Så hvilken slags information, kan du så finde på grafer som disse? Kig på punktet hvor alle graferne rammer den vandrette akse, som vist i figur 6.10. Da den vandrette akse ligger i bunden af den lodrette akse (størrelse), er afstanden mellem galakserne nul for alle punkterne på den vandrette akse. På disse punkter, fylder universet et volumen på nul, og har derfor et uendeligt massefylde. Så disse punkter repræsenterer øjeblikket for Big Bang – begyndelsen af universets udvidelse.
Da alle de fire kurver starter med et univers med størrelsen nul, starter alle fire scenarier med et Big Bang. Dette er symboliseret i figur 6.10, med en lille eksplosion på positionen for den rette tid, men lav ikke den klassiske fejltagelse at tro, at The Big Bang er en eksplosion i hvilken stof og energi spredes ud i et allerede eksisterende univers, som en granat der eksploderer i et tomt rum. Det er universet selv der udvider sig, der er ikke noget tomt rum hvori det udvider sig. Det er svært at forestille sig, men der er ikke noget – ikke engang et vakuum – uden for det ekspanderende univers.
6.5.2 – Bestemmelse af universets alder
I hverdagssprog, er alderen på et objekt, defineret som den tid der er gået fra dets skabelse indtil nu, og den samme definition kan anvendes for universet. Det tidligere afsnit viste dig, hvordan du kunne identificere begyndelsen på universets udvidelse i hver af de fire scenarier: find stedet hvor hver af de fire kurver rammer tidsaksen. Så for at bestemme universets nuværende alder, skal du blot finde intervallet af tid, mellem det punkt og nu, der korresponderer med den lodrette akses placering på tidsaksen. Den tid for hvert scenarie, er indikeret af de stiplede pile i figur 6.11.
Eksempel 6.5.1: Hvilket scenarie antyder den yngste alder på universet?
Siden længden af de stiplede pile i figur 6.11 repræsenterer den nuværende alder på universet, kan du svare på dette spørgsmål, ved simpelthen at se, hvilket scenarie der har den korteste pil. Det er scenarie (1), i hvilket, Big Bang skete i den nærmeste fortid (tættest på nu).
Hvis du sætter numeriske værdier på akserne i grafen, hvordan ville disse fire scenarier kunne sammenlignes med T0, alderen som du beregnede i afsnit 6.4.4? Husk, at den tidligere beregning var baseret på den antagelse, at udvidelsen havde været konstant. Dette er konsistent med den simpleste af de fire kurver – scenarie (3), repræsenteret af en ret linje. Men de andre tre scenarier indikerer, at udvidelsen af universet ikke har været konstant, og implikationerne af disse tidligerer variationer i udvidelsen, kigger vi på i næste afsnit.
6.5.3 – Ændring af fortidens udvidelseshastighed
Som i de generiske position-mod-tidsgrafer vi så på i afsnit 6.4.5, repræsenterer hældningen på kurverne i de kosmologiske grafer i figur 6.9-6.11, hastighed – i dette tilfælde, hastigheden på universets udvidelse. Denne hastighed kan være positiv (udvidelse), negativ (sammentrækning), eller nul (konstant størrelse), og desto mere stejl hældningen er (positiv eller negativ), desto hurtigere går udvidelse eller sammentrækningen.
Eksempel 6.5.2: Forklar hvad hældningerne på kurverne (1) og (3) indebærer for den tidligere fysiske adfærd af universet i de to scenarier
Figur 6.12, fremhæver hældningerne for disse to scenarier, hvilket giver mulighed for en detaljeret analyse af deres udvidelsesadfærd i forhold til tiden.
Du kender allerede implikationen for den konstante hældning i scenarie (3): den lige linje, repræsenterer en konstant udvidelseshastighed gennem hele tidsperioden. Dette betyder, at i scenarie (3), er udvidelseshastigheden målt i dag, den samme som udvidelseshastigheden på alle tidspunkter, siden Big Bang, og i al fremtid.
Du kender allerede implikationen for den konstante hældning i scenarie (3): den lige linje, repræsenterer en konstant udvidelseshastighed gennem hele tidsperioden. Dette betyder, at i scenarie (3), er udvidelseshastigheden målt i dag, den samme som udvidelseshastigheden på alle tidspunkter, siden Big Bang, og i al fremtid.
6.5.4 – Ændring af fremtidens udvidelseshastighed
Ligesom formen på kurverne til venstre for ”nutiden”, fortæller dig hvordan udvidelseshastigheden for universet var i fortiden, fortæller kurverne til højre for nutiden, hvad du kan forvente i fremtiden.
Tag for eksempel et kig på den højre del af kurven for scenarie (1) i figur 6.12. Da hældningen forbliver positiv noget tid efter i dag, vil universet fortsætte med at udvide sig i den tid. Men til sidst bliver hældningen på kurven nul, hvilket betyder at universets udvidelse vil være stoppet, og universet har nået dets maksimale størrelse. Herefter bliver hældningen negativ, hvilket betyder at universet begynder at trække sig sammen – først langsomt, derefter hurtigere og hurtigere, da hældningen bliver mere og mere negativ. Til sidst, vil afstanden mellem galakserne være nul, og universet vil være tilbage til sin oprindelige størrelse – med et volumen på nul og en massefylde der er uendelig stor.
Andre scenarier forudsiger vidt forskellige afslutninger for universet. For de andre tre scenarier, bliver hældningerne aldrig negative, så universet vil ikke skrumpe. I stedet, fortsætter udvidelsen for evigt, og universet vokser sig større og større, med mindre og mindre massefylde. Figur 6.13, fremhæver afslutningsadfærden for alle fire scenarier.
Eksempel 6.5.3: I hvilket scenarie(r), vil universet nå eller nærme sig en konstant størrelse?
Som beskrevet i den foregående analyse, når scenarie (1) en maksimumstørrelse, halvvejs gennem dets udvikling, når hældningen på kurven bliver nul. Denne maksimumstørrelse er imidlertid kun kortvarig, og universet kollapser efterfølgende. I scenarie (2) er universets udvidelse evigt langsommere, men den stopper aldrig helt. Denne opførsel er en asymptotisk – kurven nærmer sig en hældning på nul, og universet nærmer sig en maksimal størrelse, efterhånden som tiden nærmer sig uendeligt. Dette er analogt til adfærden af et projektil der affyres med nøjagtig undvigelseshastigheden for et andet objekt: universet har kun lige akkurat nok energi, til at undslippe fra sig selv.
Så kun scenarie (2) når en konstant størrelse. Bemærk, at i de andre to scenarier (3), og (4), nærmer universet sig en uendelig størrelse, som tiden nærmer sig uendeligt, fordi det aldrig bremser op. I disse scenarier, vil universet for en hvilken som helst vilkårlig størrelse du vælger, på et tidspunkt overgå denne størrelse.