Institutionen för fysik och astronomi

Hur mäter vi avstånd i ett expanderande universum?

2018-04-06

Läste just om stjärnan Icarus som är mycket avlägsen. Artikeln säger att ljuset gått 9 miljarder år. Detta är ju även ett mått på avståndet. Vidare säger man att vi ser Icarus som den var när universum var 30% av sin nuvarande ålder. Hur stämmer dessa två fakta med ett expanderande universum?

Frågan ställdes 2018-04-06.

Som du säger, så mäter vi ibland avstånd i tid. Vi kan ju säga att ”Örebro ligger två timmar bort” när vi menar 200 km, eftersom vi ofta antar att vi färdas med bil eller tåg i ca 100 km/h. (Av någon konstig anledning gör vi sällan tvärtom - ”vi tar en kafferast på 30 km”?!). Inom astronomin är det såklart ljusets hastighet som vi utgår från - där ett ljusår är 9,46 × 1015 m.

Det vi vet om den linsade stjärnan ”Icarus”, är att dess värd-galax (som ligger ”bakom” galaxhopen MACS J1149) har en rödförskjutning, z=1.49.

Det betyder att det blåa ljuset, t.ex. med våglängd  lambda_emit=400 nm, som skickades ut från den galaxen har blivit förskjutet eller ”utdraget” för en observatör på jorden till lambda_obs = lambda_emitt*(1+z) = 400*(2.49) = 996 nm - alltså till infraröda våglängder!

Nu till avstånd och åldersbestämningar: De senaste mätningarna av den kosmiska mikrovågsbakgrunden från Planck-satelliten gör gällande att universum är 13,799 ± 0,021 miljarder år gammalt. För att koppla ihop en uppmätt rödförskjutning till ett avstånd måste vi veta något om universums expansionshistorik. (I liknelsen med avståndet till Örebro, så är det inte uppenbart att man färdats 200 km om man åkt tåg i två timmar med hastigheten 100 km/h, om rälsen i själva verket expanderar under tiden!) Expansionstakten hos universum beror på dess olika ”beståndsdelar” - hur mycket av universums energi-innehåll som finns i form av strålning, atomer, mörk materia och mörk energi. Den mest framgångsrika modellen vi har av universums expansion, Lambda-CDM modellen som innehåller 4,9% baryoner, 25,9% mörk materia (Cold Dark Matter, CDM) och 69,1% mörk energi (eller den kosmologiska konstanten, Lambda), låter oss beräkna hur länge en ljusstråle måste färdas från rödförskjutning z=1,49 för att nå oss här och nu till 9,50 miljarder år. Universums ålder vid z=1,49 var 4,3 miljarder år, vilket alltså motsvarar 31% av universums nuvarande ålder. Eftersom det finns flera definitioner på vad som menas med ”avstånd” i ett expanderande universum, så håller vi oss helst med att prata om rödförskjutning eller hur länge ljuset har färdats (snarare än hur många meter bort galaxen ligger...)!

Länk: https://en.wikipedia.org/wiki/Lambda-CDM_model

Ned Wright's cosmology calculator:​ http://www.astro.ucla.edu/~wright/CosmoCalc.html

Frågan besvarades av Joel Johansson, forskare i astrofysik och kosmologi vid institutionen för fysik och astronomi.