Vir die vinnige uitsetting van die heelal net ná die Oerknal, sien Inflasie (kosmologie).
Die metriese uitdying of uitsetting van die heelal is die toename in die grootte van die heelal en dus ook in die afstand tussen twee verafgeleë dele daarvan. Dit is egter net op uiters groot voorwerpe van toepassing (sterrestelselswerms en groter) omdat kleiner voorwerpe deur swaartekrag na mekaar toe aangetrek word en nie teen die metriese uitdyingstempo wegbeweeg namate die heelal ouer word nie.
Volgens metings het die heelal se uitdyingstempo afgeneem tot sowat 5 miljard jaar gelede vanweë die swaartekragwisselwerking tussen die materie in die heelal; daarna het dit begin versnel. Om dié versnelling te verduidelik, het fisici die bestaan van donker energie voorgestel, wat in die mees eenvoudige teoretiese modelle lyk of dit ’n kosmologiese konstante is.
Terwyl spesiale relatiwiteit bepaal dat voorwerpe in die heelal nie vinniger as die ligsnelheid met betrekking tot mekaar kan beweeg as hulle in ’n plaaslike, dinamiese verhouding is nie, plaas dit geen teoretiese beperkings op die relatiewe beweging tussen twee voorwerpe wat te ver van mekaar geleë is om mekaar te beïnvloed nie. Dit is dus moontlik dat twee voorwerpe verder van mekaar verwyder is as wat lig sal kan beweeg. Dit beteken dat as die uitdying konstant bly, die twee voorwerpe mekaar nooit sal kan beïnvloed nie. Sterrestelsels wat byvoorbeeld verder as sowat 4,5 miljard parsek van ons af is, beweeg vinniger as die ligsnelheid van ons af weg. Ons kan sulke voorwerpe nog sien omdat die heelal in die verlede stadiger uitgedy het as vandag, en dus kan die lig van miljarde jare gelede wat van hulle af kom, ons steeds bereik. As die uitdying egter onverminderd voortduur, sal daar nooit ’n tyd aanbreek dat ons die lig van die voorwerp sal sien wat dit vandag uitstraal nie omdat die ruimte self tussen die aarde en die voorwerp vinniger toeneem as wat enige lig kan beweeg.
Vanweë die vinnige uitdying van die heelal is dit ook moontlik dat die afstand tussen twee voorwerp groter kan wees as die waarde van die ligsnelheid vermenigvuldig met die ouderdom van die heelal. Hierdie feite is dikwels ’n bron van verwarring vir sowel amateurs as professionele fisici.Tamara M. Davis and Charles H. Lineweaver, Expanding Confusion: common misconceptions of cosmological horizons and the superluminal expansion of the Universe. astro-ph/0310808
Basiese begrippe Metrieke Om die metriese uitdying van die heel te verstaan, moet verstaan word wat ’n metriek is en hoe metriese uitdying werk.
Definisie van ’n metriek ’n Metriek bepaal hoe ’n afstand tussen twee nabygeleë punte in die ruimte gemeet kan word in terme van die koördinaatstelsel. Koördinaatstelsels bepaal punte in ruimte (ongeag die getal dimensies) deur spesifieke posisies, bekend as koördinate, op ’n rooster aan elke punt toe te ken. Die metriek is dan ’n formule wat beskryf hoe verplasing deur die betrokke ruimte verwerk kan word tot afstande.
Metriek vir die aarde se oppervlak As voorbeeld kan die meting van die afstande tussen twee plekke op aarde geneem word. Dit is ’n eenvoudige, bekende voorbeeld van sferiese meetkunde (die meetkunde van ’n tweedimensionele oppervlak van ’n sfeer). Omdat die oppervlak van die aarde tweedimensioneel is, kan punte op die oppervlak bepaal word deur twee koördinate – byvoorbeeld die lengte- en breedtegraad.
Die bepaling van ’n metriek vereis dat ’n mens eers die koördinate wat gebruik word, bepaal. In ons eenvoudige voorbeeld van die oppervlak van die aarde kan ons enige koördinaatstelsel kies wat ons wil, byvoorbeeld lengte- en breedtegraad of X-Y-Z, die Cartesiese koördinaatstelsel. Sodra ons ’n spesifieke koördinaatstelsel gekies het, word die numeriese waardes van die koördinate van enige twee punte bepaal en, gebaseer op die eienskappe van die spesifieke ruimte, word die toepaslike metriek wiskundig bepaal. Op die gekromde oppervlak van die aarde is dié effek duidelik in langafstand-vlugte waar die afstand tussen twee punte gemeet word gebaseer op die grootsirkel, eerder as die reguit lyne op ’n tweedimensionele kaart van die aarde se oppervlak.
Kort afstande word gewoonlik geodete genoem. In Euklidiese meetkunde is ’n geodeet ’n reguit lyn, terwyl dit in nie-Euklidiese meetkunde, soos die aarde se oppervlak, nie die geval is nie. Die kortste-afstand-grootsirkelroete is altyd langer as die Euklidiese reguitlynroete wat deur die binnekant van aarde loop. Die verskil tussen die reguitlynroete en die kortste-afstand-grootsirkelroete is vanweë die kromming van die aarde se oppervlak. Op kort afstande is dié verskil minder opmerklik.
Metriese tensor In differensiële meetkunde kan ’n metriese tensor bepaal word – wat die ruimte wat beskryf word, presies kan karakteriseer deur die manier te verduidelik waarop afstande in elke moontlike rigting gemeet moet word. Algemene relatiwiteit roep noodwendig ’n metriek in vier dimensies op (drie in ruimte en een in tyd) omdat verskillende verwysingsraamwerke gewoonlik verskillende intervalle van tyd en ruimte sal ondervind, na gelang van die inersiestelsel.
Dit beteken die metriese tensor in algemene relatiwiteit bepaal presies hoe twee gebeurtenisse in ruimtetyd geskei is. ’n Metriese uitdying vind plaas wanneer die metriese tensor met tyd verander (en veral wanneer die ruimtelike deel van die metriek groter word namate tyd verloop). Hierdie soort uitdying verskil van alle soorte uitsettings en ontploffings in die natuur omdat tye en afstande nie dieselfde is in alle verwysingsraamwerke nie. ’n Nuttige benadering is om die voorwerpe te beskou as dat hulle wegbeweeg in ’n "leegheid", omdat die ruimte tussen voorwerpe self groei sonder die versnelling van die voorwerpe self. Die ruimte tussen voowerpe groei en krimp namate die verskeie geodete saamkom of uiteenloop.
Omdat hierdie uitdying veroorsaak word deur relatiewe veranderings in die afstandbepalende metriek, word die uitdying (en die gevolglike wegbeweging van voorwerpe) nie beperk deur die ligsnelheidsgrens van spesiale relatiwiteit nie. Twee verwysingspunte wat ver van mekaar geleë is, kan vinniger van mekaar wegbeweeg as die ligsnelheid sonder om die grense van spesiale relatiwiteit te oorskry.
Volgens teorieë en waarnemings was daar vroeg in die geskiedenis van die heelal ’n kosmiese inflasie waar die metriek vinnig verander het, en die oorblywende tydafhanklikheid van hierdie metriek is wat ons waarneem as die sogenaamde uitdying van Hubble, die wegbeweeg van alle swaartekrag-ongebonde voorwerpe in die heelal. Die uitdyende heelal is dus ’n basiese eienskap van die heelal – ’n heelal wat fundamenteel verskil van die statiese heelal wat Albert Einstein aanvanklik oorweeg het toe hy sy swaartekragteorie ontwikkel het.
Saambewegende koördinate In die uitdyende heelal is ware afstande dinamiese eienskappe wat met tyd verander. ’n Maklike manier om dit reg te stel is om saambewegende koördinate te gebruik wat dié eienskappe buite rekening laat en verskillende liggings bepaal sonder inagneming van metriese uitdying. Met saambewegende koördinate is die afstand tussen alle voorwerpe vasgestel en word die dinamika van materie en lig bepaal deur die normale wette van swaartekrag en elektromagnetiese straling. Daar moet egter vir enige tydsevolusie voorsiening gemaak word deur die Hubble-wet-uitdying in aanmerking te neem asook ander invloede wat van krag kan wees (swaartekrag, donker energie of kromming).
Verduideliking van die heelal se uitdying Die meting van die uitdying duimnael|Wanneer ’n voorwerp wegbeweeg, word die lig uitgestrek (rooiverskuiwing). In beginsel kan die uitdying van die heelal gemeet word deur ’n liniaal te neem en die afstand tussen twee punte te meet, ’n sekere tyd te wag en weer die afstand te meet. In die praktyk is daar nie sulke groot liniale nie en die tyd wat dit sal neem om ’n bevredigende mate te kry, sal oor verskeie geslagte mense strek. Die uitdying van die heelal word dus onregstreeks gemeet. Die relatiwiteitsteorie voorspel verskynsels wat met die uitdying verband hou, soos die verhouding tussen rooiverskuiwing en afstand, bekend as die Wet van Hubble; vorme van afstandmeting in die heelal wat verskil van wat ’n mens sou verwag as die heelal nie groter geword het nie ensovoorts.
Die eerste meting van die uitdying van die heelal het plaasgevind met die skepping van die Hubble-diagram. Dit is gemeet deur gebruik te maak van rooiverskuiwing om Hubble se konstante te verkry: H0 = (km/s)/Mpk. Vir elke afstand van ’n miljoen parsek vanaf die waarnemer, neem die uitdyingstempo toe met sowat 67 km per sekonde.
Hubble se konstante word nie as werklik konstant met tyd beskou nie. Daar is dinamiese kragte wat op deeltjies inwerk wat die uitdyingstempo beïnvloed. Daar is vroeër verwag die Hubble-konstante sal mettertyd afneem vanweë die invloed van swaartekragwisselwerkings in die heelal, en daar is dus ’n bykomende waarneembare grootheid in die heelal bekend as die vertragingsparameter, wat sterrekundiges vermoed het regstreeks verwant is aan die materiedigtheid van die heelal. Die vertragingsparameter is egter deur twee verskillende groepe gemeet as minder as nul (eintlik deurgaans −1), wat daarop dui dat die Hubble-konstante toeneem namate tyd verloop. Die Nobelprys vir Fisika is in 2011 toegeken vir die ontdekking van dié verskynsel.The Nobel Prize in Physics 2011
Die meting van afstande in die uitdyende heelal
Volgens kosmologiese skale is die huidige heelal plat, dit wil sê die reëls van die Euklidiese meetkunde wat verbind word met die parallelleveronderstelling, geld. In die verlede kon ruimtetyd egter in ’n groot mate geboë gewees het. Deels om sulke verskillende idees te huisves, is die uitdying van die heelal in wese algemeen relativisties; spesiale relatiwiteit alleen kan nie vir ’n model gebruik word nie.
Die illustrasies regs wys ruimtetyd-diagramme wat die grootskaalse meetkunde van die heelal volgens die ΛCDM-model op twee maniere aandui. Twee van die dimensies van die heelal is uitgelaat, en daar is dus een dimense van ruimte (die dimensie wat groei namate die keël groter word) en een van tyd (die dimensie wat met die keël se oppervlak "opbeweeg"). Die nou, ronde punt van die diagram stel ’n kosmologiese tyd van 700 miljoen jaar ná die Oerknal voor, en die wye deel ’n kosmologiese tyd van 18 miljard jaar. ’n Mens kan hier die begin van die vinniger uitdying sien as die uitspreiding van ruimtetyd, ’n eienskap wat in dié model oorheersend is. Die pers lyne van die ruitenet is die kosmologiese tyd met tussenposes van ’n miljard jaar vanaf die Oerknal. Die cyan lyne van die ruimtenet is saambewegende afstande met tussenposes van ’n miljard ligjare in die huidige era (minder in die verlede en meer in die toekoms). Die ronde krulling van die oppervlak is net om die diagram te illustreer; die ruimte krul nie werklik om homself nie.
Die bruin lyn in die diagram is die wêreldlyn van die aarde (of, vroeër, van die materie waaruit die aarde gevorm het). Die geel lyn is die wêreldlyn van die mees verafgeleë bekende kwasar. Die rooi lyn is die pad van ’n ligstraal wat die kwasar sowat 13 miljard jaar gelede uitgestraal het en tans die aarde bereik. Die oranje lyn wys die huidige afstand tussen die kwasar en die aarde, sowat 28 miljard ligjare, wat merkbaar ’n groter afstand is as die ouderdom van die heelal vermenigvuldig met die ligsnelheid: ct.