Vật thể ở rất xa chẳng phải nên trông như được phóng to sao?

 (astronomy.stackexchange.com)
1 điểm bởi GN⁺ 2023-08-21 | 1 bình luận | Chia sẻ qua WhatsApp
  • Trong vũ trụ học giãn nở, vật thể ở xa không phải lúc nào cũng càng xa càng nhỏ đi; sau khi vượt qua một điểm nhất định, do điểm đảo chiều khoảng cách đường kính góc, chúng có thể lại trông lớn hơn
  • Trong mô hình ΛCDM chuẩn, điểm đảo chiều nằm gần độ dịch đỏ khoảng 1,5, khoảng cách khoảng 15 tỷ năm ánh sáng, và thời gian ánh sáng truyền đi khoảng 10 tỷ năm
  • Một thiên hà ở thời điểm 400 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn hiện ở khoảng cách khoảng 32 tỷ năm ánh sáng, nhưng kích thước biểu kiến có thể tương tự một thiên hà cách khoảng 2,7 tỷ năm ánh sáng
  • Có thể hình dung rằng các thiên hà gần sẽ trông lớn và sáng, các thiên hà xa hơn sẽ nhỏ dần, còn các thiên hà rất xa thì lại lớn, tối và đỏ
  • Các khoảng cách này là các giá trị làm tròn nhạy với những tham số giãn nở của vũ trụ, và ví dụ tính toán dựa trên máy tính của Ned Wright

Điểm đảo chiều của khoảng cách đường kính góc

  • Bắt đầu từ câu hỏi liệu vật thể rất xa có nên trông như được phóng to nếu chính không gian đang giãn nở hay không
  • Ví dụ được đưa ra là một thiên hà ở thời điểm khoảng 400 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn mà JWST đã quan sát
  • Bài cũng đề cập liệu hiệu ứng này chỉ dễ thấy ngoài chân trời quan sát được hay không, và thang tỷ lệ không gian khi đó khác hiện nay đến mức nào

Các mốc tham chiếu trong ΛCDM chuẩn

  • Trong mô hình giãn nở vũ trụ, hiện tượng này thực sự có thể xảy ra và được gọi là Angular diameter distance turnaround hoặc turnover
  • Trong mô hình ΛCDM thông dụng, điểm đảo chiều xấp xỉ ở phạm vi sau
    • Độ dịch đỏ khoảng 1,5
    • Khoảng cách khoảng 15 tỷ năm ánh sáng
    • Thời gian ánh sáng truyền đi khoảng 10 tỷ năm
    • Khoảng 4 tỷ năm sau Vụ Nổ Lớn
  • Khoảng cách này lớn hơn khoảng cách quy đổi đơn giản chỉ từ thời gian ánh sáng truyền đi do ảnh hưởng của sự giãn nở không gian
  • Các con số này nhạy với các tham số giãn nở của vũ trụ nên cần được xem là giá trị làm tròn

Ví dụ về các thiên hà sơ khai do JWST quan sát

  • Một thiên hà ở thời điểm khoảng 400 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn tương ứng với khoảng cách hiện nay khoảng 32 tỷ năm ánh sáng
  • Nếu chỉ xét kích thước biểu kiến, thiên hà này có thể trông tương tự một thiên hà cách khoảng 2,7 tỷ năm ánh sáng
  • Giá trị tính toán này được dùng làm ví dụ từ máy tính của Ned Wright

Tài liệu giúp hình dung trực quan

Bài viết liên quan

1 bình luận

 
GN⁺ 2023-08-21
Các ý kiến trên Hacker News

  • Bài viết giáo dục “Expanding Confusion” (2003) [0]https://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310808.pdf là một tài liệu kinh điển về chủ đề này, rất đáng đọc
    Việc cố đồng thời hình dung trong đầu theo kiểu Euclid một vũ trụ giãn nở gia tốc xét theo vật thể [1]https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-expansion-n... và tốc độ ánh sáng hữu hạn, cố định có thể khiến bạn chóng mặt
    Cần chuẩn bị tinh thần để vừa vẽ hình, vừa tận hưởng quá trình vất vả tự tay rút ra những kết luận trái với trực giác

  • Điều này làm tôi nhớ đến: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Terrell_rotation
    Khi chuyển động với tốc độ tương đối tính, dù thực tế đang đi thẳng, đối với người quan sát nó trông như đang quay, thậm chí còn có thể nhìn thấy cả mặt sau của vật thể

    • Video này https://www.youtube.com/watch?v=ge_j31Yx_yk giải thích Terrell rotation và các hiệu ứng khác trong một game engine
    • Phần giải thích không thật sự rõ ràng nên tôi mất một lúc mới hiểu, nhưng cuối cùng cũng nắm được ý
      Nguyên nhân là ánh sáng phát ra từ các phần khác nhau của vật thể đến người quan sát với độ trễ thời gian khác nhau
      Ánh sáng từ phía xa mất nhiều thời gian hơn, và trong lúc đó vật thể vẫn tiếp tục chuyển động
      Vì vậy lý do ta thấy được mặt sau của vật thể là trong lúc ánh sáng phát ra từ mặt sau đó đang truyền đi, phần sau của vật thể đã dịch khỏi đường đi của tia sáng ấy
    • Thật đáng kinh ngạc. Tôi đã xem nhiều video về co độ dài, nhưng hình như hiếm khi thấy nói đến chuyện này
      Nghĩa là hình dạng của một vật thể chuyển động gần tốc độ ánh sáng, đối với người quan sát, không phải trông như bị “ép” dẹt lại, mà như bị xoay đi
    • Vũ trụ thật sự kỳ lạ. Có vẻ người tạo ra nó không thích nguyên tắc KISS cho lắm

  • Có hợp lý không nếu xem bức xạ nền vi sóng vũ trụ là giới hạn của hiện tượng này?
    Tôi tò mò liệu có thể xem nó như tàn dư của Big Bang đã được phóng đại tối đa và bị dịch đỏ đến mức có thể có ngày nay hay không

    • Có lẽ có thể dựng một cách giải thích nhất quán về bức xạ nền vi sóng vũ trụ như vậy, nhưng đó không phải là cách giải thích thông thường
      Trong phương án thay thế này, thời điểm vũ trụ trở nên trong suốt với ánh sáng xảy ra hơi trước khoảnh khắc xuất hiện trong bức xạ nền, và mọi thứ “xa hơn” thế đều là các sự kiện nằm ngoài nón ánh sáng của chúng ta
      Tức là “elsewhere” theo nghĩa kỹ thuật (https://web.phys.ksu.edu/fascination/Interlude1.pdf)
      Trong phương án này, dường như cũng có thể giải thích sự giãn nở của vũ trụ bằng lực hút hấp dẫn giữa vật chất bên ngoài nón ánh sáng của chúng ta và vật chất bên trong
      Có lẽ có lập luận nào đó giải thích vì sao không phải như vậy, nhưng tôi không rõ
      Cần có lời giải thích vì sao nhất định phải là thời điểm đó trong lịch sử
      Có phải khoảng cách cực đại là cố định, và khi điểm của “quá khứ xa nhất” dịch về phía trước theo thời gian, bức xạ nền vi sóng vũ trụ đang thay đổi rất tinh vi theo cách mà chúng ta chưa nhận ra?
      Hoặc cũng có thể vì lý do nào đó tốc độ ánh sáng đã thay đổi vào thời điểm ấy, khiến phần còn lại của vũ trụ bị cắt khỏi tầm nhìn của chúng ta
    • Vậy về bản chất điều đó có nghĩa là một khối bức xạ nền vũ trụ khổng lồ, vào thời điểm nó phát ra ánh sáng, chỉ có kích thước cỡ một nguyên tử sao?

  • Hay. Có những chủ đề nghe trong lớp rồi lướt qua mà không nghĩ nhiều, cho đến khi ai đó nói “khoan đã” và buộc ta dừng lại thì mới nhận ra chúng gây choáng váng đến mức nào
    Cách diễn giải vector Poynting cũng là một ví dụ như vậy

  • Hãy đi thêm một bước nữa. Giả sử kính thiên văn đủ lớn và cảm biến đủ nhạy, cấu trúc của vũ trụ sâu nhất sẽ trông như thế nào?
    Có những cấu trúc trước khi thiên hà hình thành, nhỏ hơn thiên hà nhưng chiếm một vùng khổng lồ trên bầu trời không?
    Liệu có các cấu trúc ở một thời điểm nào đó trong quá khứ chiếm diện tích quá lớn trên bầu trời đến mức chỉ “nhét” được vài cái, và nếu vậy về mặt tính toán có thể giải thích tương đương rằng lý do là vùng vũ trụ khi đó có thể quan sát được đối với chúng ta nhỏ hơn chừng ấy không?

    • Nơi xa nhất chúng ta có thể nhìn thấy là giới hạn vật lý của vũ trụ. Chúng ta đang thấy đúng nghĩa những photon đầu tiên phát ra sau khi vũ trụ trở nên trong suốt, và đó chính là bức xạ nền vi sóng vũ trụ
      Ảnh thật có thể dễ dàng tìm được
      Vấn đề là dù đó là những photon cổ nhất mà chúng ta có thể thấy, chúng vẫn là từ lúc vũ trụ khoảng 400.000 năm tuổi, và khi ấy bề rộng của vũ trụ vào khoảng 100 triệu năm ánh sáng
      Bức ảnh đó cho thấy vũ trụ gần như hoàn toàn đồng nhất, và về cơ bản không có những cấu trúc như bạn hỏi
      Muốn nhìn xa hơn thì phải từ bỏ hoàn toàn photon, và có lẽ phải thăm dò vũ trụ cực sơ khai bằng sóng hấp dẫn
      Sóng hấp dẫn lẽ ra có thể cho thấy cả vũ trụ hoàn toàn mờ đục trước đó
      Hiện tại, với các đài quan sát sóng hấp dẫn, chúng ta chỉ có thể “nhìn/nghe” những sự kiện sáng nhất và ồn ào nhất trong vũ trụ, nhưng riêng việc điều đó khả thi đã đáng kinh ngạc rồi
      Nhân loại về cơ bản đã tạo ra một giác quan mới mà không sinh vật nào được biết đến có được, và dự án LISA sẽ có thể nghe được nhiều thứ hơn

  • Thú vị. Tôi có một câu hỏi liên quan. Khi nhìn Andromeda có đường kính 220.000 năm ánh sáng, chúng ta đang nhìn nó hơi từ bên cạnh
    Vì thiên hà đã chuyển động so với chúng ta trong suốt 220.000 năm ánh sáng đó, chẳng phải các sao ở mép sau sẽ ở vị trí tương đối khác trên bầu trời so với các sao ở mép trước sao?

    • Đúng. Và tất nhiên thực tế cũng đúng như vậy

  • Điều luôn khiến tôi lấn cấn khi quan sát các vật thể xa như vậy là độ trễ thời gian
    Nếu ánh sáng mất 4 năm ánh sáng để di chuyển theo một hướng, đó là theo hệ quy chiếu của người quan sát ở điểm xuất phát; còn từ góc nhìn của photon mà chúng ta quan sát, chẳng phải thời gian ngắn hơn 4 năm rất nhiều sao? Ngay từ đầu có thể nói bằng ‘năm’ được không?
    Vậy khi nhìn Alpha Centauri qua kính thiên văn, có thật là chúng ta đang thấy Alpha Centauri của 4 năm trước không? Hay là gần đây hơn rất nhiều?
    Hoặc nếu một người 30 tuổi đi từ Alpha Centauri đến Trái Đất với tốc độ ánh sáng, khi đến nơi người đó sẽ khoảng 31 tuổi, đến sau 4 năm, và về cơ bản là du hành thời gian đến tương lai sao? Nếu quay lại ngay, người ở Alpha Centauri sẽ gặp một người khoảng 32 tuổi quay về sau 8 năm sao?
    Nếu vậy thì ý tưởng Superman bay thật nhanh quanh Trái Đất để du hành thời gian có thể đã đúng, chỉ là hướng không phải về quá khứ mà là tương lai
    Có lẽ một ngày nào đó một tỷ phú nào đó sẽ bay thật nhanh quanh hệ Mặt Trời trong vài chục năm để nhảy qua khoảng một thế kỷ

    • Cần lưu ý rằng tôi không phải chuyên gia
      Photon di chuyển giữa Alpha Centauri và Trái Đất không trải nghiệm thời gian, nên về thực chất là đến ngay lập tức
      Nhưng với chúng ta là người quan sát, ta sẽ thấy chuyến đi đó mất 4 năm
      Chuyện đó là gần đây hay không là vấn đề tương đối, nên không có nhiều ý nghĩa
      Từ góc nhìn của photon thì là gần đây, còn từ góc nhìn của chúng ta thì ánh sáng đó đã 4 năm tuổi

  • Vậy có vẻ những vật thể như thế sẽ khó phát hiện hơn. Vì ánh sáng bị trải ra trên một vùng rộng hơn, nên lượng ánh sáng chạm tới mỗi pixel của bộ dò sẽ ít hơn so với khi không bị phóng đại
    Nói ngược lại, điều đó cũng có nghĩa là ta có thể thấy được các cấu trúc chi tiết vốn dĩ không thể thấy

  • Điều này khá gây sốc. xkcd được liên kết đã thể hiện hiệu ứng này rất xuất sắc, thậm chí có thể hơi cường điệu
    Vật thể trong gương có thể ở xa hơn so với vẻ ngoài của chúng