Mali Alvi je deprimiran. Čemu domaći zadaci kad se svemir širi i pući će? Iz filma „Annie Hall.“ Izvor.

Atomi se ne šire, ni planete, zvezde, galaksije, čak ni kompaktnije grupe i jata galaksija. Ogromna superjata se rastežu i ne opstaju. Svemir se „širi“ u smislu da se rasteže među-galaktički prostor između kompaktnih grupa i jata galaksija. Kriterijum je srednja gustina strukture naspram brzine širenja svemira.  

Fizika

Zamislimo svemir ravnomerno ispunjen materijom. Običnom, tamnom, svejedno. Jer i atomi i čestice tamne materije imaju masu pa se ponašaju identično kad je gravitacija u pitanju.

Uočimo dva atoma u takvom svemiru. Širenje svemira ih razdvaja dok se tome opire gravitaciono privlačenje sve materije između.

Astronomska posmatranja pokazuju da ako su dva atoma na rastojanju od jednog megaparseka, što je 3,26 miliona svetlosnih godina, tada se oni udaljavaju jedan od drugog sa brzinom od oko 70 km/s.

To je takozvani Hablov parametar. Postoje mala neslaganja oko precizne vrednosti ali to ovde nije važno.

Odatle možemo da sračunamo veličinu takozvane kritične gustine: ako je gustina svemira baš tolika ili manja, ta dva atoma će nastaviti da se udaljavaju jedan od drugog; ako je veća, njihovo udaljavanje od neke tačke prestaje i od tada oni padaju jedan ka drugom.

Račun pokazuje da je kritična gustina materije 10^-29 grama po kubnom centimetru.

To je milion-milion-milion-milion-sto hiljada puta manje od gustine vode!

Ili drugim rečima, kao da imamo jedan jedini molekul vode u  zapremini kocke sa stranom od skoro metar i po!

Astronomija

Kako posmatranja pokazuju, srednja gustina materije unutar vidljivog svemira je manja od kritične gustine, i zato se svemir „kao celina“ i dalje širi. 

Srednja gustina Sunca je kao gustina vode a srednja gustina Zemlje je oko 5 puta veća. To su daleko veće vrednosti od kritične gustine i zato se ni mi ni Zemlja ni Sunce, ili uopšte ni zvezde ni planete ne šire sa rastezanjem svemira.

Može da iznenadi da kada podelimo masu naše galaksije sa zapreminom koju zauzima, nalazimo srednju gustinu koja je i dalje daleko veća od kritične gustine. Zato se naša Galaksija ni međuzvezdani prostor unutar nje ne rastežu sa širenjem svemira. Isto važi i za druge galaksije.

U većim razmerama situacija postaje interesantna. Ovde je skica raspodele galaksija u našem okruženje prečnika od otprilike 100 miliona svetlosnih godina.

Izvor je izuzetan sajt Ričarda Pauela.

U centru ove slike, obeležena sa „Local Group“ je naša lokalna grupa galaksija. Čine je tri velike galaksije (naša, M31, i M33) i oko 150 manjih, od dobro poznatih kao Magelanovi oblaci, M32 i M110, pa do patuljastih manje poznatih galaksija.

Kada podelimo procenjenu masu ove grupe sa njenom zapreminom dobijamo gustinu koja je takođe veća od kritične. Ni naša Lokalna grupa se dakle ne širi!

Unutar grupe, galaksije se kreću oko centra mase, pa u sadašnje vreme galaksija Andromeda i naša Galaksija se približavaju.

Razmotrimo sada jato Device, veliko jato galaksija označeno na ovoj skici žutim slovima kao „Virgo cluster“. Sastoji se od hiljadu do dve hiljade galaksija, prožetih još većom masom vrelog međugalaktičkog gasa, sve uronjeno u oblak tamne materije bar za red veličine masivniji od samih galaksija.

Ako podelimo procenjenu masu tog jata sa njegovom procenjenom zapreminom opet dobijamo gustinu veću od kritične. Jato Device se ne širi!

Pogledajmo sada svu strukturu skiciranu na ovom crtežu: to je superjato Device (Virgo Supercluster), velika filamentarna struktura koju čine tri velika jata, obeležena žutim slovima, i mnoštvo manjih grupa, među njima i naša Lokalna grupa.

Kada podelimo procenjenu masu ovog superjata sa njegovom procenjenom zapreminom dobijamo srednju gustinu koja je bliska kritičnoj. Superjato Device nije stabilna struktura! Ono se rasteže, širi, sa širenjem svemira!

Zaista, astronomska posmatranja pokazuju da sve galaksije na ovoj slici imaju crveno pomeranje u odnosu na nas! 

Na primer, sve galaksije u jatu Device imaju crvena pomeranja, ali ona variraju jer galaksije u jatu se kreću oko njegovog centra mase. U sadašnje vreme neke od tih galaksija imaju komponentu orbitalnog kretanja ka nama, pa je njihovo crveno pomeranje nešto manje. Druge galaksije imaju komponentu u suprotnom smeru pa je njihovo crveno pomeranje malo veće. Jato kao celina se udaljava od nas i prostor između tog jata i naše grupe se širi.

Slično je sa drugim, manjim grupama koje su na ovoj slici označene a Mesije ili NGC brojem najveće galaksije u grupi. Sve te grupe se udaljavaju od nas, i jedna od druge, pa se prostor između njih širi.

Buduća stabilnost nekih od tih grupe je međutim nejasna. Na primer, moguće je da će privlačenje od strane jezgra jata Device toliko deformisati M101 grupu da će njena srednja gustina opasti pa će širenje svemira nadvladati i grupa će postati rastegnuta a prostor na kome je će početi i sam da se širi. 

Kako zamisliti širenje prostora?

Ako se vratimo ilustraciji sa globusom koji se naduvava kompaktne grupe i jata galaksija su kao gradovi koji „nepomično sede“ na čvorovima koordinantne mreže. Kao što se na globusu naduvavanjem ne menjaju geografska širina i dužina gradova tako se širenjem svemira ne menjaju lokacije centra masa kompaktnih grupa i jata galaksija.

Orbitalno kretanje galaksija oko centra mase grupe ili jata jeste stvarno kretanje kojim se menjaju koordinate. Kao recimo automobili koji se voze po gradovima. Ali to orbitalno kretanje galaksija je ograničeno na maksimalnu zapreminu grupe ili jata kome pripadaju. Zapreminu koja se ne širi, dok se prostor između tih grupa i jata širi.

Gde je tačno granica između prostora koji se širi i prostora koji se ne širi? To je teško videti okom, ali postoji jasan fizički kriterijum

Pogledajmo narednu skicu raspodele galaksija, na dva puta većoj razmeri od prethodne.

Izvor: http://www.atlasoftheuniverse.com/200mill.html

Naša Lokalna grupa je i dalje u centru slike mada nije obeležena. Obeleženo je jato Device (Virgo Cluster) koje smo videli na prethodnoj slici, kao i druga jata galaksija. Crvenim slovima su obeležene praznine (void) između jata. U svim slučajevima imena ukazuju na pravac na nebu, na sazvežđe u kome se to jato ili praznina vide.

Zamislimo sada sfernu zapreminu koja zahvata sve na ovoj slici. Srednja gustina unutar te zapremine biće manja od kritične što znači da se prostor u ovoj zapremini širi.

Ali ako izaberemo zapreminu koja je dovoljno mala da samo zahvati na primer jezgro jata Device ili jezgro jata Hidre (Hydra Cluster) dobićemo da je srednja gustina veća od kritične što znači da se prostor unutar tih zapremina ne širi.

Ako takvu manju sfernu zapreminu centriramo recimo usred praznine Bika (Taurus Void) naći ćemo da je njena srednja gustina daleko ispod kritične što znači da se prostor unutar praznine širi sa širenjem svemira.

I tako dalje. Ukratko,

Oblasti male gustine se šire, dok oblasti velike gustine se ne šire. Razdelnica je kritična gustina čija vrednost je data Hablovim parametrom kao merom brzine širenja svemira.

Napomena

Da li tamna energija pravi razliku? Samo utoliko što „daje gas“ širenju i čini kontrast između gušćih i ređih zapremina još dramatičnijim, tako da ovde opisana slika ostaje. Postoje i spekulativni scenariji ali to ovde nije tema.