Ci sono altre prove dell'universo in espansione oltre al redshift?

La teoria dell'universo in espansione è così ampiamente accettata che il redshift viene talvolta usato come misura della distanza da galassie lontane.

Ma è ancora possibile che il redshift sia causato da alcuni fenomeni sconosciuti e non dalle galassie che si allontanano l'una dall'altra?

C'è qualche altra prova (a parte il redshift) che l'universo si sta davvero espandendo e le galassie lontane si stanno allontanando da noi?

Sì, esistono prove dirette dell'espansione senza spostamento del rosso.

La temperatura passata della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMBR) è stata misurata direttamente e trovata sostanzialmente più elevata di quanto non sia oggi. La sua riduzione della temperatura nel tempo è la prova diretta dell'espansione. Ecco i dettagli:

Secondo questo articolo , il CMBR era notevolmente più caldo in passato ( sinossi meno tecnica qui ). I ricercatori hanno osservato le linee di assorbimento in una nuvola di gas situata in una galassia distante e hanno scoperto che il modello delle linee viste poteva essere spiegato solo se la temperatura CMBR al momento dell'assorbimento era compresa tra 6 K e 14 K (ora sono 3 K). Questa temperatura è coerente con la temperatura prevista per il redshift di quella galassia (9 K). Si noti che la temperatura è stata misurata dal modello specifico di linee visto e non da quanto le linee erano state spostate in rosso; questa misurazione produrrebbe la stessa temperatura anche se non ci fossero spostamenti del rosso. Poiché una temperatura più calda implica una densità più elevata, questo raffreddamento del CMBR nel tempo è la prova diretta dell'espansione dell'universo.

Commenti aggiuntivi

• Qual è la relazione tra le linee di spostamento rosso e di assorbimento?

  Ispirato da una conversazione con uhoh nei commenti:

  Nella mia risposta mi riferisco a uno "schema" di "linee di assorbimento". Per quelli non esperti nell'argomento mi permetta di spiegare.

  Quando una luce splende attraverso una nuvola di gas specifiche frequenze di luce vengono assorbite. Quando questa luce viene poi riflessa attraverso un prisma, le frequenze bloccate appariranno come linee nere nello spettro (vedi illustrazione sotto). Le linee esatte che appaiono e le loro posizioni nello spettro (il "modello" di "linee di assorbimento") dipende dagli elementi presenti nel gas e dall'ambiente del gas. L'effetto è chiaramente visibile con una luce che emette fotoni a tutte le frequenze; questo tipo di luce è conosciuta come radiazione del corpo nero . Sebbene emetta luce a tutte le frequenze, un radiatore a corpo nero emetterà la maggior quantità di luce a una determinata lunghezza d'onda; la posizione di questo picco è indicata come la temperatura del corpo nero.

  
  ^{Fonte: Doppler Shift , Edward L. Wright
  (Eccellente sito BTW, vale la pena dare un'occhiata alle FAQ per ulteriori informazioni sui turni rossi e sulla cosmologia in generale)}

  Mentre la luce viaggia attraverso lo spazio (in espansione) è la sua lunghezza d'onda e le lunghezze d'onda delle linee di assorbimento si estendono a una velocità fissa per tutte le frequenze. Diciamo che al momento dell'emissione / assorbimento uno spettro mostra linee a lunghezze d'onda di 1, 3 e 5 nm ¹ . Dopo che i fotoni hanno viaggiato per un certo periodo di tempo, tutte le lunghezze d'onda dello spettro sembreranno raddoppiate ² . La linea precedentemente a 1 nm ora è vista a 2 nm, quella precedentemente a 3 nm ora è vista a 6 nm e quella originariamente a 5 nm ora è vista a 10 nm. Sebbene le loro frequenze assolute cambino nel tempo, il rapporto tra le lunghezze d'onda (e le frequenze) delle linee relative l'una all'altra rimane costante.

  La quantità precisa di spostamento dello spettro di un determinato oggetto è direttamente correlata alla sua distanza. Come visto nel diagramma sopra, gli oggetti vicini (come il Sole) non mostrano alcun movimento rosso. Man mano che si guardano oggetti sempre più lontani, si vedono quantità crescenti di spostamento rosso ³ .

  Nella discussione nella risposta sopra, è questo modello di posizioni relative nelle linee che è influenzato dalla temperatura CMBR al momento dell'assorbimento e non dal grado in cui le linee sono state spostate.

  ^{$z=0$$z$$z$
  $z=1$
  $z$}

  Il meccanismo alla base dello spostamento del rosso non è che i fotoni stessi stiano cambiando, ma piuttosto che lo stesso spazio attraverso il quale si muovono le onde elettromagnetiche si sta espandendo. (I fotoni sono sia particelle che onde; no, non è esattamente intuitivo.) Questo costante allungamento dello spazio allunga la lunghezza d'onda della luce dando origine sia all'effetto di spostamento del rosso che all'aumento del cambiamento di rosso di un dato fotone nel tempo.

  
  Douglas Hofstadter, CC A-SA 3.0
   

• In che modo il red shift si collega al CMBR?

  Nei commenti Alchimista ha chiesto "Il CMBR non è in realtà la quintessenza del red shift?"
  (Suppongo che tu stia usando il significato comune, e non cosmologico , di "quintessenza")

  Sì, si ritiene generalmente che l'attuale temperatura CMBR (3 K) sia il risultato di fotoni ad alta energia (3000 K) emessi circa 380.000 anni dopo il Big Bang che hanno avuto le loro lunghezze d'onda allungate nel tempo dall'espansione dell'Universo verso l'estremità rossa (cioè più fredda o a bassa energia) dello spettro. Questa espansione è stata inferita da Hubble et al. dall'osservazione che le galassie più piccole e più deboli (viste dalla Terra) hanno uno spostamento maggiore nei loro spettri. Maggiore è la distanza apparente, maggiore è lo spostamento osservato. Usando questo apparente spostamento rosso correlato alla distanza possiamo dedurreche l'Universo era più piccolo in passato e quindi più denso con una temperatura più elevata per il CMBR. Sulla base di spostamenti rossi osservati di galassie distanti, possiamo quindi dedurre, ma non misurare direttamente, quale fosse la temperatura CMBR ad ogni distanza.

  Quello che hanno fatto gli autori del documento sopra è stato fare una misurazione diretta della temperatura del CMBR in un momento specifico del passato. La temperatura misurata è superiore a quella attuale, il che implica un universo più denso e quindi più piccolo. I ricercatori hanno inoltre scoperto che la temperatura misurata direttamente si adatta perfettamente a quella inferita dallo spostamento rosso osservato della galassia che si sta studiando.

  In poche parole, la catena di inferenza viene scambiata:

  • Per ragionamenti basati sullo spostamento del rosso:
    aumento degli spostamenti del rosso con la distanza apparente (misurata direttamente) ⇒ Espansione ⇒ Universo più denso nel passato ⇒ Temperatura CMBR più alta nel passato.
  • Per una misurazione diretta della temperatura passata (come in questo documento):
    temperatura CMBR più alta nel passato (misurata direttamente) ⇒ Universo Denser nel passato ⇒ Espansione ⇒ Spostamento rosso osservato.
     

  Queste due catene di inferenza basate su diversi insiemi di prove si completano e si supportano perfettamente a vicenda.

  Una cosa da notare è che il CMBR non è stato creato dall'espansione (almeno non direttamente), piuttosto è l'espansione che spiega la sua temperatura e uniformità attuali. Secondo la teoria del Big Bang, l'universo primordiale era molto denso; così denso e caldo che tutta la materia era un plasma di particelle subatomiche, opaco ai fotoni. A circa 380.000 anni dopo il Big Bang l'Universo si era raffreddato (attraverso l'espansione) abbastanza da consentire a protoni ed elettroni di unirsi per formare un gas idrogeno neutro (che è trasparente). Il CMBR è la luce liberata in questo momento e da allora si raffredda.

Ma è ancora possibile che il redshift sia causato da alcuni fenomeni sconosciuti e non dalle galassie che si allontanano l'una dall'altra?

Nella storia sono state proposte alcune teorie alternative, come l' ipotesi della luce stanca , l'universo dello stato stazionario ecc. Ma l'osservazione ha escluso queste e altre teorie .

Vedi anche Cosmologia alternativa

Non ci sono altri metodi ragionevolmente diretti, ma ci sono sicuramente metodi indiretti. Uno, nella risposta di @Alex Hajnal, le temperature CMB più elevate misurate più lontano sono una misura indiretta molto bella.

Un'altra prova indiretta, che nessuno ha ancora notato, è che mentre guardiamo sempre più lontano, l'universo appare sempre più giovane e sempre meno simile a ciò che vediamo nel nostro vicinato. Sei praticamente costretto a spiegarlo scientificamente dicendo che l'universo ha avuto un inizio nell'ordine approssimativo di 10 miliardi di anni fa e che stelle e galassie hanno iniziato a formarsi solo allora. (Questa non è la prova di un Big Bang in particolare, ma elimina la maggior parte delle alternative ad esso. Il modello di Stato Stazionario, per esempio, è falsificato.) È molto molto difficile spiegare cosa vediamo se non come dovuto a un universo in espansione da uno stato denso caldo ca. 10 ¹⁰ anni fa.

Altre prove indirette provengono dalla relatività generale, una teoria dello spazio, del tempo e della gravità che è molto ben verificata: è stata testata per un secolo e sfidata da innumerevoli altre teorie, e solo GR ha superato tutti i test sperimentali. GR prevede con fermezza che un universo statico è impossibile e che deve espandersi o contrarsi. Questa è una prova indiretta da esperimenti prevalentemente locali.

Tuttavia, prove più indirette provengono da calcoli di nucelosintesi che mostrano che i rapporti H / He / Li che osserviamo nelle stelle più antiche e meno evolute sono esattamente ciò che prevediamo basato sull'applicazione delle proprietà misurate dei nuclei a una palla di fuoco di Big Ban.

C'è così tanta scienza oltre ai turni rossi che indicano l'universo espandersi da uno stato iniziale molto caldo e denso che anche senza l'osservazione dei turni rossi, alla fine saremmo costretti a quella conclusione.

$z$$(1+z)$

$1$

Nota che questa non è una verifica dell'Universo in espansione, ma solo delle galassie che si allontanano l'una dall'altra. Se l'Universo fosse statico, ma le galassie si muovessero attraverso lo spazio, osserveresti i processi dilatati dallo stesso fattore, come previsto dalla relatività speciale . Vi sono, tuttavia, altre prove che le galassie non si muovono attraverso uno spazio statico, ma si trovano invece più o meno ferme in uno spazio in espansione.

Sì:

1. Distribuzione dei dati della supernova 1a
2. Misure WMAP del CMB
3. Sloan galactic sky survey (catalogo delle galassie)

L'importante è che questi risultati non solo dicano lo stesso, ma corrispondano anche a vicenda .

OK, questa risposta comporta turni rossi ma ascoltami.

Sotto la Relatività Generale, molteplici meccanismi possono creare spostamenti in rosso: espansione dello spazio, oggetti che si muovono rispetto a un osservatore (cioè noi) e luce che si sposta bene dalla gravità. Quest'ultima opzione non rientra nell'ambito di questa domanda e la prima è esclusa dalla considerazione su richiesta dell'interrogante. Ciò lascia in considerazione solo la seconda opzione (movimento relativo, noto anche come effetto Doppler relativistico); questo spostamento può essere (ed è stato) testato qui sulla Terra ed è stato dimostrato che esiste.

$z=0.5$$z>1$$z=11.09$

Dato che nessun oggetto con massa può raggiungere la velocità della luce, è chiaro che i movimenti rossi osservati non possono essere causati dal movimento relativistico. Poiché non ci sono meccanismi noti oltre i tre sopra elencati che possono causare spostamenti di rosso negli spettri (confrontare l' estinzione ), l'unica spiegazione corrispondente a queste osservazioni è l'espansione dello spazio. Mettere succintamente, il fatto che superluminali red-shift sono stati osservati a tutti è la prova che lo spazio si sta espandendo.