Modeller for et ekspanderende univers
Innledning
I denne øvelsen sammenlikner vi ulike modeller av et ekspanderende univers. De har alle svakheter og styrker i ulike sammenhenger. Hvilken som er mest "riktig", kommer an på hensikten med å bruke den. Hvis du skal forklare konseptet "et ekspanderende univers" for småsøsknene dine, bruker du neppe samme modell som om du prøver å måle hvor fort universet faktisk ekspanderer!
Ulike typer modeller
For å forklare vanskelige og utfordrende idéer i naturvitenskap bruker forskere ulike typer modeller. Noen er kun til for å forklare fenomener som i utgangspunktet er nye eller vanskelige, noen anvendes for å gjøre beregninger slik at vi kan sammenlikne med virkelige observasjoner.
Analogimodeller og matematiske modeller
En analogimodell er en forenklet sammenlikning med noe kjent for å gjøre konsepter lettere å forstå. Matematiske modeller, på den andre siden, er matematiske likninger som kan brukes til å beregne størrelser som kan sammenliknes med tilsvarende, observerte størrelser. Mens analogimodeller er utmerkede for grunnleggende forståelse, er matematiske modeller viktige verktøy for vitenskapelig undersøkelse og forståelse.
Bruk av analogimodeller er mye brukt i naturfag for å forklare vanskelige og nye begreper. Men alle modeller har sine begrensninger. Se opp så du ikke blir lurt av dem!
Nedenfor møter du ulike typer modeller for et ekspanderende univers. Finn ut hva som er hva i modellene, og om modellene er analogimodeller eller matematiske modeller.
Oppgave 1. Bollemodellen
I bollemodellen tenker vi oss en bolle med rosiner der bolledeigen hever / eser ut.
Hva er hva i bollemodellen? Flytt ordene til rett sted.
B. Er bollemodellen en analogimodell eller en matematisk modell? Forklar hvordan du tenker.
Løsningsforslag
Dette er en analogimodell. En bolle som hever, er en kjent referanse for de fleste, og det er lett å forestille seg at rosinene beveger seg sammen med bolledeigen når den hever.
Oppgave 2. Ballongmodellen
I ballongmodellen tegner vi symboler på en ballong og studerer hva som skjer når vi blåser opp ballongen.
Hva er hva i ballongmodellen? Flytt ordene til rett sted.
Hva slags modell er ballongmodellen?
Løsningsforslag
Dette er en analogimodell, men du kan også bruke den til noen beregninger. Du kan for eksempel måle avstander mellom stjernene på ballongen på et tidspunkt, blåse opp ballongen mer og måle avstanden igjen. Da ser du hvor mye stjernene beveget seg som resultat av at ballongen ble større, selv om det er litt tungvint å måle avstand på en krummet ballong.
Oppgave 3. Strikkmodellen
I strikkmodellen markerer du sirkler på en bred strikk og drar i hver ende av strikken.
Hva er hva i strikkmodellen? Flytt ordene til rett sted.
Hva slags modell er strikkmodellen?
Løsningsforslag
Dette er en analogimodell, men du kan også enkelt bruke den til beregninger. Du kan for eksempel holde strikken mot ei tavle, måle avstanden mellom merkene A og D på et tidspunkt, dra i strikken, og måle avstanden mellom A og D igjen. Da ser du hvor mye merkene beveget seg som resultat av at strikken ble lengre, og det er enkelt å måle avstander på en flate som ei tavle. Pass på at du holder A-merket stille mot tavla hvis du gjør dette i klasserommet!
Oppgave 4. Hubbles lov
Hubbles lov handler om hvordan galakser beveger seg på grunn av universets ekspansjon. Den sier at hastigheten til en galakse øker med avstanden til galaksen. Hvor mye den øker, kommer an på Hubbles konstant.
Hva er hva i Hubbles lov? Flytt ordene til rett sted.
Flytt verdiene til riktig plass i Hubbles konstant. Hvilke enheter er vanlige å bruke når vi måler avstander i verdensrommet?
Hvorfor kan Hubbles konstant ha flere ulike verdier?
Hva slags modell er Hubbles lov?
Løsningsforslag
Hubbles lov er en matematisk modell for hvordan hastigheten til en galakse henger sammen med avstanden fra oss. Størrelsene hastighet, avstand og Hubbles konstant har alle tallverdier, med enheter, som kan måles.
Verdien på Hubbles konstant avhenger av hvilke enheter den uttrykkes i. Det er vanlig å bruke megaparsec per kilometer per sekund.
Mega betyr en million. Parsec er et mål for avstand, der 1 parsec er cirka 3 lysår (1 pc = 3,26 ly).
Et lysår er så langt lys kommer på ett år. Siden lysets hastighet er nesten 300 000 km/s, blir et lysår nesten 10 000 milliarder kilometer ().
Så store tall er ikke praktiske å bruke, derfor er det enklere å bruke megaparsec (Mpc) når vi snakker om ting i universet, enn kilometer (km).
Omvendt kan Hubbles konstant uttrykkes i km/s per kilometer fra oss. Da blir hastigheten 0,000 000 000 000 000 002 km/s (10-18 km/t) per kilometer, som viser hvor liten hastigheten av ekspansjonen ville være nærme oss.
Oppgave 5. Sammenlign og vurder modellene
Sammenlikn de ulike modellene og ranger dem etter hvilken du synes er best. Skriv en kort forklaring til de ulike modellene, og begrunn rangeringa di.
Sammenlikn rangeringen din med en annens, og diskuter med hverandre:
Hvilken modell synes dere forklarer best hva vi mener med universets ekspansjon og hvordan det påvirker galaksenes bevegelse i universet?
Hvilken hadde dere brukt hvis dere skulle forklare dette for noen?
Hva er svakhetene og styrkene ved de ulike modellene?
Om de ulike modellene
Rosinbollen som hever
Analogimodellene er de som oftest oppleves som gode forklaringsmodeller siden de er enkle å forholde seg til. Det er også hensikten med dem.
Mange synes bollemodellen er en god analogi, siden den er enkel å forstå, og siden den beskriver et "univers" i tre dimensjoner, akkurat som vårt. Rosinene beholder også størrelsen sin, selv om bollen blir større. En ulempe er at de fleste rosinene er gjemt inne i bollen. Derfor er det ikke enkelt å se hvor mye de har flyttet seg etter heving. Men kanskje du kan tenke på et ekspanderende univers neste gang du baker boller!
Ballongmodellen
En annen favoritt er ballongen. En analogi som er enkel å forstå, og som er enkel å vise i virkeligheten. Ta en ballong, tegn for eksempel noen galakser på den, og blås den opp! Du ser med en gang at galaksene beveger seg. En ulempe er at den ikke er i tre dimensjoner, flaten til ballongen (selve "universet") har bare to dimensjoner. En annen ulempe er at hvis du tegner galakser på ballongen, blir de også større når ballongen blåses opp. Er det slik at galakser og andre himmellegemer blir større når universet ekspanderer?
En fordel med ballongen framfor bollen er at det faktisk er mulig å måle hvordan avstanden mellom det du har tegnet på den, endrer seg når du blåser opp ballongen. Det er ikke mulig å måle noe inne i bollen mens den hever!
En annen ting du kan utforske med ballongen, er å tegne en trekant på den og måle summen av vinklene. Blir det 180 grader, slik du lært i matematikken?
Strikkmodellen
Strikken med merker på er også veldig enkel å bruke i klasserommet. Det er også relativt enkelt å måle hvordan avstanden endrer seg når du strekker strikken, for eksempel hvis to stykker holder den opp mot ei tusjtavle og tegner på den. Men denne viser kun bevegelse i en dimensjon, i strek-retningen. Selv om strikken kanskje er den som er mest brukbar som modell av de tre for å gjøre beregninger, oppleves den ofte ikke som en like naturlig analogi sammenliknet med bollen eller ballongen.
Hubbles lov
Hubbles lov er ikke en analogimodell, men en ren matematisk modell. Det kan være veldig vanskelig å forstå at denne sammenhengen er en naturlig konsekvens av et ekspanderende univers, hvis du ikke i tillegg bruker noen av de andre analogiene for å først forstå konseptet.
Samtidig kan formler, matematikk og symboler være veldig forvirrende og abstrakte hvis du ikke er vant til å bruke det. Dette er den modellen som er mest brukbar for forskere når de skal finne ut av hvilken teori som stemmer best med den virkeligheten vi observerer, men kanskje ikke den du bruker når du skal forklare hva et ekspanderende univers betyr.
Ulike måter å måle Hubble-konstanten på
Målinger av Hubble-konstanten gir ulike verdier alt etter hvordan vi måler den. Hvis vi måler den fra det tidlige universet (målinger av den kosmisk bakgrunnsstrålinga (CMB) med Planck-satellitten), er verdien
Hvis vi i stedet måler H0 seinere i universets utvikling, nærmere oss i tid (den såkalte avstandsmetoden med målinger av supernovaer og Cepheide-variable stjerner), er verdien:
At det ikke blir samme verdi med de ulike metodene, kalles Hubble-spenningen. Det er et åpent spørsmål blant forskere i dag om den kommer av en manglende forståelse av universets ekspansjon, har noe med målemetodene å gjøre eller noe annet.
Modeller har begrensninger
Det er viktig å reflektere over begrensningene ved modeller og analogier. For eksempel har de tre første analogiene alle en kant på sitt "univers", og de ekspanderer alle ut i rommet. Dette betyr ikke at universet vårt nødvendigvis har en kant, eller at det trenger å ekspandere ut i noe som helst. Dette er effekter som blir til på grunn begrensninger med analogiene vi bruker. At bollen har en kant, er en egenskap ved bollen, ikke en egenskap ved universet den er en analogi på.
Merk at den matematiske modellen, Hubbles lov, ikke har noen slik begrensning. Men den har en annen interessant egenskap: Hvis du finner en galakse på veldig stor avstand, kan da hastigheten bli større enn lyshastigheten? Klarer du å finne ut av hvilken avstand det er, og om vi funnet galakser så langt borte?
Kilder
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Museum of Science, Boston. (u.å.). Cosmic Questions. Our place in space and time. https://lweb.cfa.harvard.edu/seuforum/download/CQEdGuide.pdf
Hubble's Law. (2024, 24. september). I Wikipedia. Hentet 25. september 2024 fra https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law
NASA. (2020, 24. september). More on Hubble's Law. Hentet 25. september 2024 fra https://imagine.gsfc.nasa.gov/features/yba/M31_velocity/hubble_law/more.html
Villar, R. & Pulliam, C. (2024, 11. mars). NASA's Webb, Hubble Telescopes Affirm Universe's Expansion Rate, Puzzle Persists. NASA Hubblesite. https://hubblesite.org/contents/news-releases/2024/news-2024-108