Один із найкращих способів перевірити, чи розширюється Всесвіт, - використати тест, який грунтується тільки на геометрії простору, і не залежить від темної матерії або темної енергії. Основний принцип тесту поверхневої яскравості Толмана полягає в аналізі вектора поширення світла у відкритому просторі.
Тест поверхневої яскравості Толмана, запропонований в 1930 роках фізиком Річардом Чейс Толманом, - ключовий тест в астрофізиці який визначає, чи розширюється Всесвіт. Вихідними даними для нього приймається червоний зсув світла від віддаленого об’єкту та поверхнева яскравість цього об’єкту (кількість світла яка попадає на піксель телескопа, чи рецептор ока при повному освітлені).
Практичні об’єкти спостереження для - галактики, але на прикладі Сонця я поясню як це працює.
Для Всесвіту, який не розширюється:
Дивимося на Сонце через фотокамеру з відстані L, на кожен піксель фотокамери через об’єктив попадає світло з площі на поверхні Сонця S (точніше з фронтальної площі огляду) та інтенсивність світлового потоку з цієї площі - I.
Тепер ми віддаляємося від Сонця на вдвічі більшу відстань L x 2. При однакових налаштуваннях камери на кожен піксель попадатиме світло з в 4 рази більшої площі Сонця S х 4, але інтенсивність світла, яка доходитиме до камери з фіксованої площі на поверхні Сонця, зменшиться в 4 рази I / 4.
Це означає, що незалежно з якої відстані ми дивимося на фотокамерою на Сонце - кількість світла (фотонів), яка попадатиме на піксель камери при повному його освітлені буде одинаковою.
Якщо, наприклад, дивлячись фотокамерою на Сонце з орбіти Меркурія у нього за 10 секунд вигорять пікселі з радіусом R на поверхні матриці фотокамери, то з орбіти Плутона у матриці фотокамери за 10 секунд вигорять пікселі з радіусом R / 102 (у 102 рази Плутон дальше від сонця ніж Меркурій, і зірка фокусуватиметься на меншу площу матриці).
Для Всесвіту, який розширюється:
Дивимося на Сонце через фотокамеру з відстані L. На кожен піксель фотокамери через об’єктив попадає світло з площі на поверхні Сонця S та інтенсивність світлового потоку з цієї площі - I.
Тепер через розширення простору ми віддаляємося від Сонця на вдвічі більшу відстань L x 2, за той час фотони, які вилетіли від Сонця досягли нашої фотокамери.
Простір розширювався по 3-х осях, фотокамера через розширення віддалилася від Сонця по осі X у 2 рази, а фотони, які летіли від Сонця до фотокамери віддалялися між собою по всіх осях. На малюнку видно як фотони віддаляються по осі Y.
Фотони доженуть камеру на відстані від Сонця L x 2, але кутовий розмір Сонця (α) залишиться таким, наче ми на нього постійно дивимося з відстані L, або наче діаметр сонця розширювався разом із всесвітом.
Інтенсивність світла, яке падатиме на кожен піксель віддаленої камери, зменшиться обернено квадрату відстані (I / 4) та через наше віддалення в половину швидкості світла - ще у 2 рази (бо половина фотонів, які летіли за нами від Сонця залишаться на утвореному шляху довжиною L), сумарно інтенсивність світла зменшиться I / 8.
Тест Толмана: Всесвіт розширюється чи ні?
Якщо на практиці ми дивимося через телескоп на галактики із червоним зсувом z = 1 (втрата фотоном половини своєї енергії, або віддалення галактики становить половину швидкості світла), то видимі параметри галактики у двох моделях Всесвіту відрізнятимуться так:
|
Всесвіт не розширюється |
Всесвіт розширюється |
||
|
Зміна поверхневої яскравості |
1 |
1/8 |
|
|
Зміна кутового розміру |
1/4 |
1 |
Таблиця 1. Результати тесту Толмана для Всесвіту, який (не) розширюється
Відстань до об’єктів залежно від того, Всесвіт розширюється чи ні, рахується по різному, але на невеликих червоних зсувах ці значення близькі.
Також Теорія Великого Вибуху має безліч своїх поправок, які не розглядаються в цій статті.
Внаслідок того, що даний тест не залежить ні від темних матерії та енергії і інших теорій, а базується виключно на геометрії простору, то його результат має ключове значення у підтвердженні гіпотези розширення Всесвіту.
Коли науковці з глибоким науковим апломбом коментували перші фотографії, зроблені телескопом Джеймса Вебба, аони стверджували, що “ранні” галактики надто малі та надто яскраві. Такого космологи "не очікували побачити”.
Але, що за тестом Толмана, ВСЕСВІТ НЕ РОЗШИРЮЄТЬСЯ. Як наслідок, усі теорії, що базуються на розширенні Всесвіту, можна вважати хибними.
Сучасна наука “дуже чесна” - майже ніхто з них і словом не обмовився про згаданий тест. І про, що говорять дані від нових спостережень.
