Vörös-eltolódás
Gondolatok a vörös-eltolódásról
Ebben az évszázadban sokat foglalkoztak és foglalkoznak ma is a csillagászok, kozmológusok
és fizikusok a kozmosz tágulásával. Einstein is felállított egy un. kozmológiai állandót, amely
azt volt hivatott szolgálni, hogy a világunk stabilitását írja le ezzel az állandóval.
Ő akkor még nem tudott a kozmosz tágulásáról, de amikor a csillagászok a tágulásról számoltak be
hiteles mérések alapján, Einstein nagy tévedésének nevezte a fenti állandót és visszavonta azt.
Egy időre nem is foglalkoztak a kozmológiai állandóval. Az újabb kutatások azonban olyan eredményeket
hoztak, amelyek ismét előtérbe hozzák ezt a kérdést. Ugyanis olyan észlelések történtek távoli
galaxisok precíz módszerekkel való megfigyelésével, amelyek nem egyszerűen csak a távolodást mutatják,
hanem a gyorsulva távolodásra lehet következtetni azokból. Ez nagy fejtörést okoz a szakembereknek,
mert akkor valamiféle taszító erőnek is lennie kell a gravitáción kívül (ami tudvalevően vonzó hatást
fejt ki). Sőt ennek a taszító erőnek túl kell lépnie a gravitációs vonzást ahhoz, hogy a gyorsulva
távolodás létrejöjjön. Ezen erő eredetét illetően több elképzelés van. Ennek megfejtése érdekében
visszanyúlnak a nagy bumm-ot követő másodperc töredékidejében történtek megfejtéséig, amikor az
erőhatások (gravitáció, magerők, stb.) és anyagi formátumok (normális, sugárzó, sötét) kialakultak.
Ezek bonyolult dolgok, a kvantummechanikai számítások akár 10 dimenziót is feltételezve végezhetők
csak el. Ilyen fejtegetések eredményeként egyesek úgy gondoljak, hogy a gravitáció bizonyos feltételek
esetén vonzó, más esetben taszító hatású lehet. Azaz a kozmológiai állandót úgy kell módosítani,
hogy az ne csak a stabil állapotot tükrözze, hanem a gyorsulva távolodást is leírja. Mások szerint
létezhet egy érzékelhetetlen erőtér (az ötödik alapelem), amely taszítja a kozmosz többi anyagát,
mintha negatív gravitációja lenne. Vannak akik az un. sötét anyaggal operálnak, amely számunkra
észlelhetetlen, de mégis betöltik még a vákuumot is. Eszerint a vákuum nem vákuum abban az értelemben,
ahogyan ezt eddig gondoltuk. Ennek a sötét anyagnak energiája van (vákuumenergia), amely taszító
hatást fejt ki a kozmosz elemeire nézve. Mindezeket a fejtöréseket azon mérések keltik, amelyek
a kozmosz valamilyen módon való tágulását jelzik. A tágulás mértékét a vörös-eltolódás mutatja,
amivel ezen leírásban foglalkozni szeretnék.
A vörös-eltolódás lényege a következőképpen írható le röviden. Az izzított gázok fényében
a gázban lévő elemi részekre jellemző un. spektrumvonalak találhatók a fény-spektrumban, amit
pl. egy prizmával vagy optikai ráccsal lehet előállítani. Ezek az anyagra jellemző spektrumvonalak
a színkép megfelelő helyén találhatók. Éppen ezen vonalaknak a spektrumban való elhelyezkedése
alapján lehet következtetni az adott anyag meglétére. Igy tudják a csillagászok azonosítani a távoli
csillagban lévő kémiai elemeket. Itt megjegyzem, hogy vannak elnyelési és kibocsátási színképvonalak.
Mindkettő alkalmazható az anyagok azonosítására. A színkép a kéktől (kis hullámhossz) a közbenső
színeken át a vörösig (nagy hullámhossz) terjed. Persze vannak benne még szemmel érzékelhetetlen
hullámhosszok is, de ezeket most hagyjuk figyelmen kívül. Ennyi bevezető értelmezés után már
megfogalmazható, hogy mit is értünk a vörös-eltolódáson. Ha az anyagra jellemző színképvonalak
nem a várt helyükön találhatók, hanem a vörös szín irányába tolódnak el, akkor beszélünk vörös-
eltolódásról. Ez akkor áll elő, ha az észlelő és a fényt kibocsátó távolodik egymástól. Ezt nevezik
optikai doppler-effektusnak. Ez a hanghullámok esetében is így van. Sőt valójában ezeknél fedezték fel
ezt a jelenséget. Ez könnyen megfigyelhető, ha egy közeledő majd elhaladva távolodó autó hangját hallva,
közeledés esetén a hangot magasabbnak halljuk, mint a távolodáskor. Az autó által kibocsátott hang
magassága valójában a kettő között van. A távolodó mélyebb hang nagyobb hullámhossznak felel meg,
mint az eredeti hang hullámhossza. Azt mondhatjuk tehát, hogy akkor gondolunk távolodásra, ha a
spektrumvonalak a vörös szín irányába tolódnak el a rájuk jellemző helyüktől a spektrumban.
A következőkben leírom, hogyan értelmezem én a kozmosz tágulását Figyelembe véve a vörös-
eltolódást. Mivel kerülni szeretném a képleteket, ezért inkább a rajzos megoldást választom. Mindezek,
természetesen, képletekkel is igazolhatók. Az tény, hogy vörös-eltolódás létezik, hiszen mérhető
és már sokan mérték. A fizikából azt is tudjuk, hogy ezt a jelenséget egy mozgásban lévő hullámforrás
okozza, amely távolodik az észlelőtől. A lenti ábrán látható, hogyan deformálódik a hullámhossz
mozgás eseten, ha összehasonlítjuk az álló hullámforrás hullámhosszával. Itt a hullámforrás
mozdulatlanságát ill. mozgását egy rögzített ponthoz viszonyítjuk, függetlenül attól, hogy ott
van-e észlelő vagy nincs. Ugyanis, ha odateszünk egy észlelőt a rögzített pontba, akkor észlelni
fogja a jelenséget.
1. ábra
Az ábrán az egyes körök az egymást követő hullámfrontokat jelzik. Az ábra bal oldalán van
szemléltetve egy álló hullámforrás hullámképe, míg a jobb oldalán egy mozgó hullámforrás hullámképe
látható. Az ábrán jól látszik, hogyha a rögzített pont (az észlelő) az A pontban van, akkor a
hullámhossz rövidüléséből azt észleli, hogy közeledik felé a hullámforrás. Ha a B pontban van az
észlelő, akkor viszont a hullámforrás távolodását detektálja, mert a hullámhossz nagyobb a kelleténél.
Persze az észlelőnek tudnia kell, hogy a mozdulatlan hullámforrás hullámhossza mekkora. Tegyük fel,
hogy ezt más mérésekből már tudja. A hullámfrontok terjedési sebessége függ a különböző hullámfajtáktól
és a közegtől, amiben terjednek. Ez a fény esetében - közegnek a vákuumot feltételezve - csaknem
300.000 km másodpercenként. Jelöljük ezt a sebességet c-vel. A hullámforrás v sebessége ennél jóval
kisebb lehet. Természetesen az észlelő is mozoghat valamilyen irányban. Ebben az esetben a hullámforrás
és az észlelő sebességösszegét kell venni a kettejük közötti távolodás (vagy közeledés) számításához.
Az egyszerűség kedvéért tekintsük most úgy, hogy az észlelő áll. Ha a mozgó hullámforrás megáll, akkor
az észlelő a továbbiakban az álló hullámforrásnak megfelelő hullámhosszt méri, amikor az hozzáérkezik
Bár maga a rezgés is idő alatt zajlik, mint minden folyamat a fizikában, de itt emberi léptékű
időkkel kell számolni. A csillagászatban viszont igen nagy időkkel és távolságokkal kell szembenéznünk.
A vörös-eltolódást a távoli galaxisok csillagai esetében szokták mérni. Mint tudjuk, ezek a galaxisok
több milliárd fényév távolágra vannak tőlünk (1 fényév az a távolság, amit a fény 1 év alatt megtesz).
De ez a távolság nem csupán távolságot jelent, hanem több milliárd évet is jelent vissza a múltba.
Annak a csillagnak a fénye amit mi most látunk több milliárd évvel ezelőtt indult el az észlelt csillagról.
Ennyi idő telt el a fény utazása közben, amíg hozzánk eljutott. Jelenleg tehát azt detektáljuk
(mérve e vörös-eltolódást), hogy több milliárd évvel ezelőtt a csillag és azon pont között, ahová most
kerültünk, távolodás történt. Közben hatalmas idő telt el és szerintem a fenti mérés nem mond semmit
arról, hogy jelenleg is távolodik-e még tőlünk az a csillag vagy galaxis. Ezt is szemléltetem egy ábrával.
2. ábra
Az ábrán az idő-tengely vízszintes a távolság-tengely függőleges. Az ábrán a Cs csillag a múltban
v sebességgel távolodott az É észlelő múltba vetített helyzetétől. A c sebességgel az észlelőhöz érkező
fény vörös-eltolódása a múltbeli távolodást jelzi. Nem mond semmit a két objektum egymáshoz viszonyított
jelenlegi sebességéről. A Cs` csillag a Cs csillag esetleges jelenlegi távolságát ábrázolja, de ez
feltételezés, mert nem biztos, hogy közben a kezdeti távolodás közeledésre váltott. Itt jegyzem meg,
hogy egy galaxis tőlünk való távolságát a galaxis egy stabil fényességű objektumának (pl. nova) a látható
fényességéből (magnitúdó) lehet kiszámítani, de tekinthetjük egy galaxis átlagos fényességét is
összehasonlítva azt egy már ismert távolságú galaxis fényességével, figyelembe véve azt, hogy a fény
intenzitása a távolág négyzetével fordítva arányosan csökken. A távolság mérésében segíthet az un.
gravitációs lencsehatás is. Ez abban nyilvánul meg, hogy nagy tömeg mellett elhaladó fény a gravitációs
vonzás következtében elhajlik, így a nagy tömeg úgy működik mint egy gyűjtőlencse. Az elhajlás mértékéből
lehet következtetni a nagy tömeg mögül érkező fény forrásának távolágára, amennyiben a lencseként lévő
nagy tömeg távolságát már ismerjük. A távolság mérésére több módszerrel próbálkoznak a csillagászok,
de igazán pontos módszert eddig még nem sikerült kitalálniuk. Egyébként a távolság jelenkori mérése is
egy múltbeli távolságot mutat. A gondolatmenet hasonló, mint a vörös-eltolódás esetében.
Mit lehet akkor mondani a kozmosz tágulásával kapcsolatban? Szerintem csak annyit, hogy a múltban
tágult. A jelenlegi állapotról nem tudunk mondani semmit sem. Ezt csak több milliárd év múlva tehetnénk meg.
Ha feltételezzük, hogy volt ősrobbanás, ami nyilvánvalóan tágulással jár, akkor a vörös-eltolódás ezt alá
is támasztja. Ha láttuk már egy földbe ásott akna robbantását, akkor azt láthattuk, hogy a földdarabok
egymástól távolodva felrepülnek, majd visszahullnak ismét a földre. Valami hasonló játszódhat le a kozmosz
életében is. Az ősrobbanáskor gömbszimmetrikus tágulás történik. Amíg a tágító erő hat, addig gyorsulva
távolodnak egymástól a részek. De a gyorsító erő megszűntével dominánssá válik a gravitáció, ami a vonzás
következtében az összehúzódás irányába hat. Egy ideig még tart a távolodás, de egy idő után ez megáll,
majd eljön a fokozatos összehúzódás. A folyamatot a lenti ábra mutatja.
3. ábra
Az ábra két része a kozmosz tágulását és a ható erőket mutatja. A fenti részen a függőleges tengely
a kozmosz tágulásának mértékét jelzi, a vízszintes tengely az időt. Az ábra felső részén a kozmosz
tágulási görbéje van, mutatva egy teljes ciklust az ősrobbanástól (Bumm) a teljes összezuhanásig
(szingularitás). Az ábra a ferde hajításra emlékeztet, hiszen ott is kétféle erő hat (a kő elrepülését
előidéző gyorsító erő és a gravitáció). A színes sávok a kozmosz tágulási szakaszait jelzik. A sávokhoz
tartozó időintervallumok nagyon torzítva vannak az ábrán. A Bumm közelében lévő sávhoz tartozó idő inkább
csak másodpercben mérhető, míg pl. a zöld sávhoz tartozó idő évmilliárdokat jelent. A ábra lenti részén
a ható erők vannak feltüntetve (a robbanást előidéző erő és a gravitáció) időarányosan a fenti részhez
viszonyítva. Természetesen más erők is hatottak e kettőn kívül, de én úgy gondolom, hogy e kettő volt
szignifikáns a kozmosz tágulását illetően. A két egymással ellentétesen ható erő szabja meg a kozmosz
tágulását. A gravitáció nagyjából állandónak vehető, hiszen annak nagyságát a kozmosz össztömege szabja meg.
A taszító erőnek az elején van egy felfutása, majd a nyomás oldódásával van egy fokozatos lecsengése.
Az első néhány szakaszban tehát a kozmosz részei gyorsulva távolodnak egymástól. Egy idő után ez meg is
szűnik és marad az állandóan ható gravitáció, amely összehúzni igyekszik a kozmoszt. A zöld szakasz
stabilitást mutat. A kozmológiai állandó ehhez a szakaszhoz hasonló állapotú kozmosz stabil létét írja le
feltételezve, hogy van egy a gravitációs hatást kompenzáló ellenerő. A galaxisok és azok csillagai már
a harmadik szakaszban kialakulhattak, így ha ilyen távolságra és időre nézünk vissza, akkor a gyorsulva
tágulást láthatjuk. De ha egy hozzánk közelebb lévő és időben is közelibb galaxis fényét vizsgáljuk,
akkor esetleg csak egyszerű távolodást észlelhetünk, feltéve hogy jelenleg már túl vagyunk ezen a szakaszon.
Ezt nem tudjuk, hiszen azt sem tudjuk megmondani, hogy milyen hosszú ideig tartanak az egyes szakaszok.
Ha jelenleg még csak a gyorsulási szakasz végén vagyunk, akkor azt észleljük, hogy minden galaxis
gyorsulva távolodik egymástól. De ha pl. már a zöld színnel jelzett szakaszban vagyunk, akkor találhatunk
olyan galaxisokat, amelyek gyorsulva távolodnak tőlünk (ha elég messze nézünk vissza az időben), és
találhatunk olyan galaxisokat is, amelyek csak állandó sebességgel távolodnak, esetleg nem is távolodnak
tőlünk (ha kisebb időre nézünk vissza a múltba).
Ez a fejtegetés tulajdonképpen egybevág a Hubble-törvénnyel, amely a megfigyelések alapján kimondja,
hogy minél messzebb van tőlünk egy galaxis, annál nagyobb sebességgel távolodik tőlünk. Természetesen
így van, hiszen annál messzebb látunk vissza az időben, amely időkre egyre jellemzőbbek a nagyobb sebességek,
azért, mert az időpont a nagy bumm-hoz közelít. Ha viszont az utolsó szakaszban vagyunk, akkor akár hozzánk
közeledő galaxisokat is észlelhetünk. Tudtommal ilyet még nem észleltek (kivéve az egy clusterbe tartozó
galaxisok esetén, mert azok közelednek egymáshoz, de ez nem befolyásolja az általános tágulást), ezért lehet,
hogy a zöld szakaszban vagyunk. A T időnél a kozmosz mérete a nullához közelít. A kozmosz anyaga térben
és időben bezáródik (szingularitás) és vagy így marad örökre, vagy egyszer csak újra jön egy újabb nagy bumm.
Egyébként a kozmosz méretét és fejlődési szakaszait a kozmosz úgynevezett nagyléptékű szerkezetének
vizsgálatával próbálják meghatározni. Ez tulajdonképpen a Hubble-konstans pontos meghatározását jelentené.
Ehhez a távolságok pontos meghatározása lenne szükséges, amivel még mindig vannak gondok. Ha sikerülne ezt
a konstanst hitelt érdemlően megadni, akkor már pontosabb képet kaphatnánk a kozmosz koráról és szerkezetéről.
Befejezésül összefoglalom az én elképzelésemet a vörös-eltolódásról. A jelenleg mért vörös-eltolódás
egy múltbeli folyamatra utal. A múltnak volt olyan szakasza, amelyben tágító erők működtek. Ez a részek
egymástól való gyorsulva távolodását eredményezte. Volt olyan szakasza is a múltnak, amikor a tágító erő
már megszűnt. Ezután már csak a gravitáció hatása érvényesült. Egy ideig, amíg a részek mozgási energiája
olyan nagy volt, hogy felülmúlták a gravitációs hatást, a tágulás folytatódott. De egy idő után a gravitáció
kerekedik felül és átmegy a folyamat összehúzódásba. Ha ma azt mérik a csillagászok, hogy gyorsulva távolodás
van a galaxisok között, akkor lehet, hogy éppen abba az időintervallumba látnak vissza, amikor tényleg
hatottak még a gyorsító erők. Hogy jelenleg milyen szakaszban vagyunk, nem tudjuk, lehet, hogy már az
összehúzódás szakaszában. Az Einstein-féle kozmológiai állandó a világ egyállapotban való maradását volt
hivatott kifejezni. Ha az Einstein-féle állandó igaz, akkor esetleg még ősrobbanás sem volt. A világ
öröktől örökké ebben az állapotban volt és marad, eltekintve a belső folyamatok zajlásától. Ez egy olyan
finoman szabályozott világot feltételez, amelyet a legkisebb perturbáció is kizökkenthetne a stabilitásból
és elvihetné a folyamatot vagy a szétrepülés vagy az összezuhanás irányába. Erre a finom szabályozásra
csak egy transzcendens lény lenne képes, aki állandóan kiigazítaná a perturbációkból eredő kilengéseket.
Ott van azonban a vörös-eltolódás, ami mégiscsak valamiféle robbanásra utal. És ott vannak a fekete lyukak
(ezekről a Fekete lyuk című írásomban foglalkozom), amelyek szintén zavaró tényezők a kozmológiai állandót
illetően. Marad tehát az a feltételezés, hogy volt ősrobbanás. Régen nyílván tágult a kozmosz és lehet,
hogy jelenleg is tágul, de hogy erről biztosat tudjunk mondani, a jövőbe kellene egy időutazást tennünk
egy kis időszeletre, ahonnan visszanézve a ma jelennek számító időpontba pontosabb képet kaphatnánk a fenti
problémákról és a világunk jelenlegi állapotáról.
Nagy Sándor
Debrecen,2001.Máj.
Nasa
|
AJÁNLOM AZ OLDALT
