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/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / astronomy / faq / part9 < prev   
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Internet Message Format  |  2003-05-08  |  37.5 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!cambridge1-snf1.gtei.net!news.gtei.net!bos-service1.ext.raytheon.com!cyclone.swbell.net!newsfeed1.easynews.com!easynews.com!easynews!news01.optonline.net!rip!sjc70.webusenet.com!news.webusenet.com!sn-xit-02!sn-xit-04!sn-xit-06!sn-post-01!supernews.com!corp.supernews.com!not-for-mail
  2. From: jlazio@patriot.net
  3. Newsgroups: sci.astro,sci.answers,news.answers
  4. Subject: [sci.astro] Cosmology (Astronomy Frequently Asked Questions) (9/9)
  5. Approved: news-answers-request@MIT.EDU
  6. Followup-To: poster
  7. Date: 07 May 2003 19:38:53 -0400
  8. Organization: Posted via Supernews, http://www.supernews.com
  9. Message-ID: <lly91itjhu.fsf@adams.patriot.net>
  10. Sender: jlazio@adams.patriot.net
  11. Summary: This posting addresses frequently asked questions about
  12.     cosmology.
  13. User-Agent: Gnus/5.0808 (Gnus v5.8.8) Emacs/20.7
  14. MIME-Version: 1.0
  15. Content-Type: text/plain; charset=us-ascii
  16. X-Complaints-To: abuse@supernews.com
  17. Lines: 748
  18. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.astro:414146 sci.answers:15221 news.answers:251074
  19.  
  20. Posting-frequency: semi-monthly (Wednesday)
  21. Archive-name: astronomy/faq/part9
  22. Last-modified: $Date: 2000/08/03 00:23:14 $
  23. Version: $Revision: 4.0 $
  24. URL: http://sciastro.astronomy.net/
  25.  
  26. ------------------------------
  27.  
  28. Subject: Introduction
  29.  
  30.  sci.astro is a newsgroup devoted to the discussion of the science of
  31. astronomy.  As such its content ranges from the Earth to the farthest
  32. reaches of the Universe.
  33.  
  34.  However, certain questions tend to appear fairly regularly.  This
  35. document attempts to summarize answers to these questions.
  36.  
  37.  This document is posted on the first and third Wednesdays of each
  38. month to the newsgroup sci.astro.  It is available via anonymous ftp
  39. from <URL:ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/astronomy/faq/>,
  40. and it is on the World Wide Web at
  41. <URL:http://sciastro.astronomy.net/> and
  42. <URL:http://www.faqs.org/faqs/astronomy/faq/>.  A partial list of
  43. worldwide mirrors (both ftp and Web) is maintained at
  44. <URL:http://sciastro.astronomy.net/mirrors.html>.  (As a general note,
  45. many other FAQs are also available from
  46. <URL:ftp://rtfm.mit.edu/pub/usenet/news.answers/>.)
  47.  
  48. Questions/comments/flames should be directed to the FAQ maintainer,
  49. Joseph Lazio (jlazio@patriot.net).
  50.  
  51. ------------------------------
  52.  
  53. Subject: Table of Contents 
  54.  
  55. [All entries last edited on 1998-02-28, unless otherwise noted.]
  56.  
  57.  I.01 What do we know about the properties of the Universe? 
  58.  I.02 Why do astronomers favor the Big Bang model of the Universe?
  59.  I.03 Where is the center of the Universe?
  60.  I.04 What do people mean by an "open," "flat," or "closed" Universe?
  61.  I.05 If the Universe is expanding, what about me? or the Earth? or
  62.       the Solar System?
  63.  I.06 What is inflation?
  64.  I.07 How can the Big Bang (or inflation) be right?  Doesn't it
  65.     violate the idea that nothing can move faster than light?
  66.     (Also, can objects expand away from us faster than the speed
  67.     of light?)
  68.  I.08 If the Universe is only 10 billion years old, how can we see
  69.     objects that are now 30 billion light years away?  Why isn't
  70.     the most distant object we can see only 5 billion light years
  71.     away?
  72.  I.09 How can the oldest stars in the Universe be older than the
  73.     Universe?
  74.  I.10 What is the Universe expanding into?
  75.  I.11 Are galaxies really moving away from us or is space-time just
  76.     expanding?
  77.  I.12 How can the Universe be infinite if it was all concentrated into
  78.     a point at the Big Bang?
  79.  I.13 Why haven't the cosmic microwave background photons outrun the
  80.     galaxies in the Big Bang? 
  81.  I.14 Can the cosmic microwave background be redshifted starlight?
  82.  I.15 Why is the sky dark at night? (Olbers' paradox) [2001-10-02]
  83.  I.16 What about objects with discordant redshifts?
  84.  I.17 Since energy is conserved, where does the energy of redshifted
  85.     photons go? [1998-12-03]
  86.  I.18 There are different ways to measure distances in cosmology?
  87.     [1999-07-06]
  88.  
  89. This section of the FAQ is largely extracted from Ned Wright's
  90. Cosmology Tutorial,
  91. <URL:http://www.astro.ucla.edu/%7Ewright/cosmolog.htm>, and was
  92. written jointly by Ned Wright and Joseph Lazio, unless otherwise noted.
  93.  
  94. ------------------------------
  95.  
  96. Subject:  I.01. What do we know about the properties of the Universe?
  97.  
  98. There are three key facts we know about the properties of the
  99. Universe: galaxies recede, there's a faint microwave glow coming from
  100. all directions in the sky, and the Universe is mostly hydrogen and
  101. helium.
  102.  
  103. In 1929 Edwin Hubble published a claim that the radial velocities of
  104. galaxies are proportional to their distance.  His claim was based on
  105. the measurement of the galaxies' redshifts and estimates of their
  106. distances.  The redshift is a measure of how much the wavelength of a
  107. spectral line has been shifted from the value measured in
  108. laboratories; if assumed to occur because of the Doppler effect, the
  109. redshift of a galaxy is then a measure of its radial velocity.  His
  110. estimates of the galaxies' distances was based on the brightness of a
  111. particular kind of star (a pulsating star known as a Cepheid).
  112.  
  113. The constant of proportionality in Hubble's relationship (v = H * d,
  114. where v is a velocity and d is a distance) is known as Hubble's
  115. parameter or Hubble's constant.  Hubble's initial estimate was that
  116. the Hubble parameter is 464 km/s/Mpc (in other words, a galaxy 1 Mpc =
  117. 3 million light years away would have a velocity of 464 km/s).  We
  118. know now that Hubble didn't realize that there are two kinds of
  119. Cepheid stars.  Various estimates of the Hubble parameter today are
  120. between 50--100 km/s/Mpc.
  121.  
  122. Hubble also measured the number of galaxies in different directions
  123. and at different brightness in the sky.  He found approximately the
  124. same number of faint galaxies in all directions (though there is a
  125. large excess of bright galaxies in the northern sky).  When a
  126. distribution is the same in all directions, it is isotropic.  When
  127. Hubble looked for galaxies four times fainter than a particular
  128. brightness, he found approximately 8 times more galaxies than he found
  129. that were brighter than this cutoff.  A brightness 4 times smaller
  130. implies a doubled distance.  In turn, doubling the distance means one
  131. is looking into a volume that is 8 times larger.  This result
  132. indicates that the Universe is close to homogeneous or it has a
  133. uniform density on large scales.  (Of course, the Universe is not
  134. really homogeneous and isotropic, because it contains dense regions
  135. like the Earth.  However, if you take a large enough box, you will
  136. find about the same number of galaxies in it, no matter where you
  137. place the box.  So, it's a reasonable approximation to take the
  138. Universe to be homogeneous and isotropic.)  Surveys of very large
  139. regions confirm this tendency toward homogeneity and isotropy on the
  140. scales larger than about 300 million light years.
  141.  
  142. The case for an isotropic and homogeneous Universe became much
  143. stronger after Penzias & Wilson announced the discovery of the Cosmic
  144. Microwave Background in 1965.  They observed an excess brightness at a
  145. wavelength of 7.5 cm, equivalent to the radiation from a blackbody
  146. with a temperature of 3.7+/-1 degrees Kelvin. (The Kelvin temperature
  147. scale has degrees of the same size as the Celsius scale, but it is
  148. referenced at absolute zero, so the freezing point of water is 273.15
  149. K.)  A blackbody radiator is an object that absorbs any radiation that
  150. hits it and has a constant temperature.  Since then, many astronomers
  151. have measured the intensity of the CMB at different wavelengths.
  152. Currently the best information on the spectrum of the CMB comes from
  153. the FIRAS instrument on the COBE satellite.  The COBE data are
  154. consistent with the radiation from a blackbody with T = 2.728 K.  (In
  155. effect, we're sitting in an oven with a temperature of 2.728 K.)  The
  156. temperature of the CMB is almost the same all over the sky.  Over the
  157. distance from which the CMB travels to us, the Universe must be
  158. exceedingly close to homogeneous and isotropic.  These observations
  159. have been combined into the so-called Cosmological Principle: The
  160. Universe is *homogeneous* and *isotropic*.
  161.  
  162. If the Universe is expanding---as the recession of galaxies
  163. suggests---and it is at some temperature today, then in the past
  164. galaxies would have been closer together and the Universe would have
  165. been hotter.  If one continues to extrapolate backward in time, one
  166. reaches a time when the temperature would be about that of a star's
  167. interior (millions of degrees; galaxies at this time would have been
  168. so close that they would not retain their form as we see them today).
  169. If the temperature was about that of a star's interior, then fusion
  170. should have been occurring.
  171.  
  172. The majority of the Universe is hydrogen and helium.  Using the
  173. known rate of expansion of the Universe, one can figure out how long
  174. fusion would have been occurred.  From that one predicts that,
  175. starting with pure hydrogen, about 25% of it would have been fused to
  176. form deuterium (heavy hydrogen), helium (both helium-4 and helium-3),
  177. and lithium; the bulk of the fusion products would helium-4.
  178. Observations of very old stars and very distant gas show that the
  179. abundance of hydrogen and helium is about 75% to 25%.
  180.  
  181. ------------------------------
  182.  
  183. Subject: I.02. Why do astronomers favor the Big Bang model of the
  184.     Universe?
  185.  
  186. The fundamental properties of the Universe, summarized above, one can
  187. develop a simple model for the evolution of the Universe.  This model
  188. is called the Big Bang.
  189.  
  190. The essential description of the Big Bang model is that it predicts
  191. the Universe was hotter and denser in the past.  For most of the 20th
  192. century, astronomers argued about the best description of the
  193. Universe.  Was the BB right? or was another model better?  Today, most
  194. astronomers think that the BB is essentially correct, the Universe was
  195. hotter and denser in the past.  Why?
  196.  
  197. When Einstein was working on his theory of gravity, around 1915, he
  198. was horrified to discover that it predicted the Universe should either
  199. be expanding or collapsing.  The prevailing scientific view at the
  200. time was that the Universe was static, it always had been and always
  201. would be.  He ended up modifying his theory, introducing a long-range
  202. force that cancelled gravity so that his theory would describe a
  203. static Universe.
  204.  
  205. When Hubble announced that galaxies were receding from us, astronomers
  206. realized quickly that this was consistent with the notion that the
  207. Universe is expanding.  If you could imagine "running the clock
  208. backwards" and looking into the past, you would see galaxies getting
  209. closer together.  In effect, the Universe would be getting denser.
  210.  
  211. If the Universe was denser in the past, then it was also hotter.  At
  212. some point in the past, the conditions in the Universe would have
  213. resembled the interior of a star.  If so, we should expect that
  214. nuclear fusion would occur.  Detailed predictions of how much nuclear
  215. fusion would have occurred in the early Universe were first undertaken
  216. by George Gamow and his collaborators.  Since then, the calculations
  217. have been refined, but the essential result is still the same.  After
  218. nuclear fusion stopped, about 1000 seconds into the Universe's
  219. history, there should be about one Helium-4 atom for every 10 Hydrogen
  220. atoms, one Deuterium atom (heavy hydrogen) for every 10,000 H atoms,
  221. one Helium-3 atom for every 50,000 H atoms, and one Lithium-7 atom for
  222. every 10 billion H atoms.  These predicted abundances are in very good
  223. agreement with the observed abundances.
  224.  
  225. As the Universe expanded and cooled, the radiation in it should have
  226. also lost energy.  In 1965 Arlo Penzias and Robert Wilson were annoyed
  227. to discover that no matter what direction they pointed a telescope,
  228. they kept picking up faint glow.  Some physicists at Princeton
  229. recognized that this faint glow was exactly what was expected from a
  230. cooling Universe.  Since then, the COBE satellite has measured the
  231. temperature of this radiation to be 2.728 +/- 0.002 K.  
  232.  
  233. It is the combination of these excellent agreements between prediction
  234. and observation that lead most astronomers to conclude that the Big
  235. Bang is a good model for describing the Universe.
  236.  
  237. ------------------------------
  238.  
  239. Subject:  I.03.  Where is the center of the Universe?
  240.  
  241. Often when people are told that galaxies are receding from us, they
  242. assume that means we are at the center of the Universe.  However,
  243. remember that the Universe is homogeneous and isotropic.  No matter
  244. where one is, it looks the same in all directions.  Thus, all galaxies
  245. see all other galaxies receding from them.  Hubble's relationship is
  246. compatible with a Copernican view of the Universe: Our position is not
  247. a special one.
  248.  
  249. So where is the center?  *There isn't one*.  Although apparently
  250. nonsensical, consider the same question about the *surface* of a
  251. sphere (note the *surface*).  Where's the center of a sphere's
  252. surface?  Of course, there isn't one.  One cannot point to any point
  253. on a sphere's surface and say that, here is the center.  Similarly,
  254. because the Universe is homogeneous and isotropic, all we can say is
  255. that, in the past, galaxies were closer together.  We cannot say that
  256. galaxies started expanding from any particular point.
  257.  
  258. ------------------------------
  259.  
  260. Subject:  I.04.  What do people mean by an "open," "flat," or "closed"
  261.     Universe?
  262.  
  263. These different descriptions concern the future of the Universe,
  264. particularly whether it will continue to expand forever.  The future
  265. of the Universe hinges upon its density---the denser the Universe is,
  266. the more powerful gravity is.  If the Universe is sufficiently dense,
  267. at some point in the (distant) future, the Universe will cease to
  268. expand and begin to contract.  This is termed a "closed" Universe.  In
  269. this case the Universe is also finite in size, though unbounded.  (Its
  270. geometry is, in fact, similar to the *surface* of a sphere.  One can
  271. walk an infinite distance on a sphere's surface, yet the surface of a
  272. sphere clearly has a finite area.)
  273.  
  274. If the Universe is not sufficiently dense, then the expansion will
  275. continue forever.  This is termed an "open" Universe.  One often hears
  276. that such a Universe is also infinite in spatial extent.  This is
  277. possibly true; recent research suggests that it may be possible for
  278. the Universe to have a finite volume, yet expand forever.
  279.  
  280. One can also imagine a Universe in which gravity and the expansion are
  281. exactly equal.  The Universe stops expanding only after an infinite
  282. amount of time.  This Universe is also (possibly) infinite in spatial
  283. extent and is termed a "flat" Universe, because the sum of the
  284. interior angles of a triangle sum to 180 degrees---just like in the
  285. plane or "flat" geometry one learns in (US) high school.  For an open
  286. Universe, the geometry is negatively curved so that the sum of the
  287. interior angles of a triangle is less than 180 degrees; in a closed
  288. Universe, the geometry is positively curved and the sum of the
  289. interior angles of a triangle is more than 180 degrees.
  290.  
  291. The critical density that separates an open Universe from a closed
  292. Universe is 1.0E-29 g/cm^3.  (This is an average density; there are
  293. clearly places in the Universe more dense than this, e.g., you, the
  294. reader with a density of about 1 g/cm^3, but this density is to be
  295. interpreted as the density if all matter were spread uniformly
  296. throughout the Universe.)  Current observational data are able to
  297. account for about 10--30% of this value, suggesting that the Universe
  298. is open.  However, motivated by inflationary theory, many theorists
  299. predict that the actual density in the Universe is essentially equal
  300. to the critical density and that observers have not yet found all of
  301. the matter in the Universe.
  302.  
  303. ------------------------------
  304.  
  305. Subject: I.05.  If the Universe is expanding, what about me? or the
  306.     Earth? or the Solar System?
  307.  
  308. You, the reader, are not expanding, even though the Universe in which
  309. you live is.  There are two ways to understand this.
  310.  
  311. The simple way to understand the reason you're not expanding is that
  312. you are held together by electromagnetic forces.  These
  313. electromagnetic forces are strong enough to overpower the expansion of
  314. the Universe.  So you do not expand.  Similarly, the Earth is held
  315. together by a combination of electromagnetic and gravitational forces,
  316. which again are strong enough to overpower the Universe's expansion.
  317. On even larger scales---those of the Solar System, the Milky Way, even
  318. the Local Supercluster of galaxies (also known as the Virgo
  319. Supercluster)---gravity alone is still strong enough hold these
  320. objects together and prevent the expansion.  Only on the very largest
  321. scales does gravity become weak enough that the expansion can win
  322. (though, if there's enough gravity in the Universe, the expansion will
  323. eventually be halted).
  324.  
  325. A second way to understand this is to appreciate the assumption of
  326. homogeneity.  A key assumption of the Big Bang is that the Universe is
  327. homogeneous or relatively uniform.  Only on large enough scales will
  328. the Universe be sufficiently uniform that the expansion occurs.  You,
  329. the reader, are clearly not uniform---inside your body the density is
  330. about that of water, outside is air.  Similarly, the Earth and its
  331. surroundings are not of uniform density, nor for the Solar System or
  332. the Milky Way.
  333.  
  334. This latter way of looking at the expansion of the Universe is similar
  335. to common assumptions in modelling air or water (or other fluids).  In
  336. order to describe air flowing over an airplane wing or water flowing
  337. through a pipe, it is generally not necessary to consider air or water
  338. to consist of molecules.  Of course, on very small scales, this
  339. assumption breaks down, and one must consider air or water to consist
  340. of molecules.  In a similar manner, galaxies are often described as
  341. the "atoms" of the Universe---on small scales, they are important, but
  342. to describe the Universe as a whole, it is not necessary to consider
  343. it as being composed of galaxies.
  344.  
  345. Also note that the definitions of length and time are not changing in
  346. the standard model.  The second is still 9192631770 cycles of a Cesium
  347. atomic clock and the meter is still the distance light travels in
  348. 9192631770/299792458 cycles of a Cesium atomic clock.
  349.  
  350. ------------------------------
  351.  
  352. Subject:  I.06.  What is inflation?
  353.  
  354. The "inflationary scenario," developed by Starobinsky and by Guth,
  355. offers a solution to two apparent problems with the Big Bang.  These
  356. problems are known as the flatness-oldness problem and the horizon
  357. problem.
  358.  
  359. The flatness problem has to do with the fact that density of the
  360. Universe appears to be roughly 10% of the critical density (see
  361. previous question).  This seems rather fortuitous; why is it so close
  362. to the critical density?  We can imagine that the density might be
  363. 0.0000001% of the critical value or 100000000% of it.  Why is it so
  364. close to 100%?
  365.  
  366. The horizon problem relates to the smoothness of the CMB.  The CMB is
  367. exceedingly smooth (if one corrects for the effects caused by the
  368. Earth and Sun's motions).  Two points separated by more than 1 degree
  369. or so have the same temperature to within 0.001%.  However, two points
  370. this far apart today would not have been in causal contact at very
  371. early times in the Universe.  In other words, the distance separating
  372. them was greater than the distance light could travel in the age of
  373. the Universe.  There was no way for two such widely separated points
  374. to communicate and equalize their temperatures.
  375.  
  376. The inflationary scenario proposes that during a brief period early in
  377. the history of the Universe, the scale size of the Universe expanded
  378. rapidly.  The scale factor of the Universe would have grown
  379. exponentially, a(t) = exp(H(t-t0)), where H is the Hubble parameter,
  380. t0 is the time at the start of inflation, and t is the time at the end
  381. of inflation.  If the inflationary epoch lasts long enough, the
  382. exponential function gets very large.  This makes a(t) very large, and
  383. thus makes the radius of curvature of the Universe very large.  
  384.  
  385. Inflation, thus, solves the flatness problem rather neatly.  Our
  386. horizon would be only a very small portion of the whole Universe.
  387. Just like a football field on the Earth's surface can appear flat,
  388. even though the Earth itself is certainly curved, the portion of the
  389. Universe we can see might appear flat, even though the Universe as a
  390. whole would not be.
  391.  
  392. Inflation also proposes a solution for the horizon problem.  If the
  393. rapid expansion occurs for a long enough period of time, two points in
  394. the Universe that were initially quite close together could wind up
  395. very far apart.  Thus, one small region that was at a uniform
  396. temperature could have expanded to become the visible Universe we see
  397. today, with its nearly constant temperature CMB.
  398.  
  399. The onset of inflation might have been caused by a "phase change."  A
  400. common example of a phase change (that also produces a large increase
  401. in volume) is the change from liquid water to steam.  If one was to
  402. take a heat-resistant, extremely flexible balloon filled with water
  403. and boil the water, the balloon would expand tremendously as the water
  404. changed to steam.  In a similar fashion, astronomers and physicists
  405. have proposed various ways in which the cooling of the Universe could
  406. have led to a sudden, rapid expansion.
  407.  
  408. It is worth noting that the inflationary scenario is not the same as
  409. the Big Bang.  The Big Bang predicts that the Universe was hotter and
  410. denser in the past; inflation predicts that as a result of the physics
  411. in the expanding Universe, it suddenly underwent a rapid expansion.
  412. Thus, inflation assumes that the Big Bang theory is correct, but the
  413. Big Bang theory does not require inflation.
  414.  
  415. ------------------------------
  416.  
  417. Subject: I.07.  How can the Big Bang (or inflation) be right?  Doesn't
  418.     it violate the idea that nothing can move faster than light? 
  419.      (Also, can objects expand away from us faster than the speed
  420.     of light?)
  421.  
  422. In the Big Bang model the *distance* between galaxies increases, but
  423. the galaxies don't move.  Since nothing's moving, there is no
  424. violation of the restriction that nothing can move faster than light.
  425. Hence, it is quite possible that the distance between two objects is
  426. so great that the distance between them expands faster than the speed
  427. of light.
  428.  
  429. What does it mean for the distance between galaxies to increase
  430. without them moving?  Consider two galaxies in a one-dimensional Big
  431. Bang model:
  432.                           *-|-|-|-*
  433.                           0 1 2 3 4
  434.  
  435. There are four distance units between the two galaxies.  Over time the
  436. distance between the two galaxies increases:
  437.  
  438.                        * - | - | - | - *
  439.                        0   1   2   3   4
  440.  
  441. However, they remain in the same position, namely one galaxy remains
  442. at "0" and the other remains at "4."  They haven't moved.
  443.  
  444. (Astronomers typically divide the distance between two galaxies into
  445. two parts, D = a(t)*R.  The function a(t) describes how the size of
  446. the Universe increases, while the distance R is independent of any
  447. changes in the size of the Universe.  The coordinates based on R are
  448. called "co-moving coordinates.")
  449.  
  450. ------------------------------
  451.  
  452. Subject:  I.08. If the Universe is only 10 billion years old, how can
  453.     we see objects that are now 30 billion light years away?  Why
  454.     isn't the most distant object we can see only 5 billion light
  455.     years away?
  456.  
  457. When talking about the distance of a moving object, we mean the
  458. spatial separation NOW, with the positions of both objects specified
  459. at the current time. In an expanding Universe this distance NOW is
  460. larger than the speed of light times the light travel time due to the
  461. increase of separations between objects as the Universe expands. This
  462. is not due to any change in the units of space and time, but just
  463. caused by things being farther apart now than they used to be.
  464.  
  465. What is the distance NOW to the most distant thing we can see?  Let's
  466. take the age of the Universe to be 10 billion years. In that time
  467. light travels 10 billion light years, and some people stop here.  But
  468. the distance has grown since the light traveled.  Half way along the
  469. light's journey was 5 billion years ago.  For the critical density
  470. case (i.e., flat Universe), the scale factor for the Universe is
  471. proportional to the 2/3 power of the time since the Big Bang, so the
  472. Universe has grown by a factor of 22/3 = 1.59 since the midpoint of
  473. the light's trip.  But the size of the Universe changes continuously,
  474. so we should divide the light's trip into short intervals.  First take
  475. two intervals: 5 billion years at an average time 7.5 billion years
  476. after the Big Bang, which gives 5 billion light years that have grown
  477. by a factor of 1/(0.75)2/3 = 1.21, plus another 5 billion light years
  478. at an average time 2.5 billion years after the Big Bang, which has
  479. grown by a factor of 42/3 = 2.52.  Thus with 1 interval we get 1.59*10
  480. = 15.9 billion light years, while with two intervals we get
  481. 5*(1.21+2.52) = 18.7 billion light years.  With 8192 intervals we get
  482. 29.3 billion light years.  In the limit of very many time intervals we
  483. get 30 billion light years.
  484.  
  485. If the Universe does not have the critical density then the distance
  486. is different, and for the low densities that are more likely the
  487. distance NOW to the most distant object we can see is bigger than 3
  488. times the speed of light times the age of the Universe.
  489.  
  490. ------------------------------
  491.  
  492. Subject: I.09. How can the oldest stars in the Universe be older than
  493.     the Universe?
  494.  
  495. Obviously, the Universe has to be older than the oldest stars in
  496. it. So this question basically asks, which estimate is wrong:
  497.  
  498.    * The age of the Universe?
  499.    * The age of the oldest stars? or
  500.    * Both?
  501.  
  502. The age of the Universe is determined from its expansion rate: the
  503. Hubble constant, which is the ratio of the radial velocity of a
  504. distant galaxy to its distance. The radial velocity is easy to
  505. measure, but the distances are not. Thus there is currently a 15%
  506. uncertainty in the Hubble constant.
  507.  
  508. Determining the age of the oldest stars requires a knowledge of their
  509. luminosity, which depends on their distance. This leads to a 25%
  510. uncertainty in the ages of the oldest stars due to the difficulty in
  511. determining distances.
  512.  
  513. Thus the discrepancy between the age of the oldest things in the
  514. Universe and the age inferred from the expansion rate is within the
  515. current margin of error.
  516.  
  517. ------------------------------
  518.  
  519. Subject: I.10. What is the Universe expanding into?
  520.  
  521. This question is based on the ever popular misconception that the
  522. Universe is some curved object embedded in a higher dimensional space,
  523. and that the Universe is expanding into this space.  This
  524. misconception is probably fostered by the balloon analogy that shows a
  525. 2-D spherical model of the Universe expanding in a 3-D space.
  526.  
  527. While it is possible to think of the Universe this way, it is not
  528. necessary, and---more importantly---there is nothing whatsoever that
  529. we have measured or can measure that will show us anything about the
  530. larger space.  Everything that we measure is within the Universe, and
  531. we see no edge or boundary or center of expansion.  Thus the Universe
  532. is not expanding into anything that we can see, and this is not a
  533. profitable thing to think about.  Just as Dali's Crucifixion is just a
  534. 2-D picture of a 3-D object that represents the surface of a 4-D cube,
  535. remember that the balloon analogy is just a 2-D picture of a 3-D
  536. situation that is supposed to help you think about a curved 3-D space,
  537. but it does not mean that there is really a 4-D space that the
  538. Universe is expanding into.
  539.  
  540. ------------------------------
  541.  
  542. Subject: I.11. Are galaxies really moving away from us or is
  543.     space-time just expanding?
  544.  
  545. This depends on how you measure things, or your choice of coordinates.
  546. In one view, the spatial positions of galaxies are changing, and this
  547. causes the redshift.  In another view, the galaxies are at fixed
  548. coordinates, but the distance between fixed points increases with
  549. time, and this causes the redshift.  General relativity explains how
  550. to transform from one view to the other, and the observable effects
  551. like the redshift are the same in both views.
  552.  
  553. ------------------------------
  554.  
  555. Subject:  I.12. How can the Universe be infinite if it was all
  556.     concentrated into a point at the Big Bang?
  557.  
  558. Only the *observable* Universe was concentrated into a point at the
  559. time of the Big Bang, not the entire Universe.  The distinction
  560. between the whole Universe and the part of it that we can see is
  561. important.
  562.  
  563. We can see out into the Universe roughly a distance c*t, where c is
  564. the speed of light and t is the age of the Universe.  Clearly, as t
  565. becomes smaller and smaller (going backward in time toward the Big
  566. Bang), the distance to which we can see becomes smaller and smaller.
  567. This places no constraint on the size of the entire Universe, though.
  568.  
  569. ------------------------------
  570.  
  571. Subject:  I.13. Why haven't the CMB photons outrun the galaxies in
  572.     the Big Bang?
  573.                                                                          
  574. Once again, this question assumes that the Big Bang was an explosion
  575. from a central point.  The Big Bang was not an explosion from a single
  576. point, with a center and an edge.  The Big Bang occurred everywhere.
  577. Hence, no matter in what direction we look, we will eventually see to
  578. the point where the CMB photons were being formed.  (The CMB photons
  579. didn't actually form in the Big Bang, they formed later when the
  580. Universe had cooled enough for atoms to form.)
  581.  
  582. ------------------------------
  583.  
  584. Subject:  I.14.  Can the CMB be redshifted starlight? 
  585.  
  586. No!  The CMB radiation is such a perfect fit to a blackbody that it
  587. cannot be made by stars.  There are two reasons for this.
  588.  
  589. First, stars themselves are at best only pretty good blackbodies, and
  590. the usual absorption lines and band edges make them pretty bad
  591. blackbodies.  In order for a star to radiate at all, the outer layers
  592. of the star must have a temperature gradient, with the outermost
  593. layers of the star being the coolest and the temperature increasing
  594. with depth inside the star.  Because of this temperature gradient, the
  595. light we see is a mixture of radiation from the hotter lower levels
  596. (blue) and the cooler outer levels (red).  When blackbodies with these
  597. temperatures are mixed, the result is close to, but not exactly equal
  598. to a blackbody.  The absorption lines in a star's spectrum further
  599. distort its spectrum from a blackbody.
  600.                                                                         
  601. One might imagine that by having stars visible from different
  602. redshifts that the absorption lines could become smoothed out.
  603. However, these stars will be, in general, different temperature
  604. blackbodies, and we've already seen from above that it is the mixing
  605. of different apparent temperatures that causes the deviation from a
  606. blackbody.  Hence more mixing will make things worse.
  607.                                                                                
  608. How does the Big Bang produce a nearly perfect blackbody CMB?  In the
  609. Big Bang model there are no temperature gradients because the Universe
  610. is homogeneous.  While the temperature varies with time, this
  611. variation is exactly canceled by the redshift.  The apparent
  612. temperature of radiation from redshift z is given by T(z)/(1+z), which
  613. is equal to the CMB temperature T(CMB) for all redshifts that
  614. contribute to the CMB.
  615.        
  616. ------------------------------
  617.  
  618. Subject:  I.15. Why is the sky dark at night? (Olbers' paradox)
  619.  
  620. If the Universe were infinitely old, infinite in extent, and filled
  621. with stars, then every direction you looked would eventually end on
  622. the surface of a star, and the whole sky would be as bright as the
  623. surface of the Sun.  This is known as Olbers' Paradox after Heinrich
  624. Wilhelm Olbers (1757--1840) who wrote about it in 1823--1826 (though
  625. it had been discussed earlier).  A common suggestion for resolving the
  626. paradox is to consider interstellar dust, which blocks light by
  627. absorping it.  However, absorption by interstellar dust does not
  628. circumvent this paradox, as dust reradiates whatever radiation it
  629. absorbs within a few minutes, which is much less than the age of the
  630. Universe.
  631.  
  632. The resolution of Olbers' paradox comes by recognizing that the
  633. Universe is not infinitely old and it is expanding.  The latter effect
  634. reduces the accumulated energy radiated by distant stars. Either one
  635. of these effects acting alone would solve Olbers' Paradox, but they
  636. both act at once.
  637.  
  638. ------------------------------
  639.  
  640. Subject:  I.16. What about objects with discordant redshifts?
  641.                                                                                
  642. A common objection to the Big Bang model is that redshifts do not
  643. measure distance.  The logic is that if redshifts do not measure
  644. distance, then maybe the Hubble relation between velocity and distance
  645. is all wrong.  If it is wrong, then one of the three pillars of
  646. observational evidence for the Big Bang model collapses.
  647.  
  648. One way to show that redshifts do not measure distance is to find two
  649. (or more) objects that are close together on the sky, but with vastly
  650. different redshifts.  One immediately obvious problem with this
  651. approach is that in a large Universe, it is inevitable that some very
  652. distant objects will just happen to lie behind some closer objects.
  653.  
  654. A way around this problem is to look for "connections"---for instance,
  655. a bridge of gas---between two objects with different redshifts.
  656. Another approach is to look for a statistical "connection"---if high
  657. redshift objects tend to cluster about low redshift objects that might
  658. suggest a connection.  Various astronomers have claimed to find one or
  659. the other kind of connection.  However, their statistical analyses
  660. have been shown to be flawed, or the nature of the apparent "bridge"
  661. or "connection" has been widely disputed.
  662.  
  663. At this time, there's no unambiguous illustration of a "connection" of
  664. any kind between objects of much different redshifts.
  665.  
  666. ------------------------------
  667.  
  668. Subject: I.17 Since energy is conserved, where does the energy of
  669.     redshifted photons go?
  670. Author: Peter Newman <p.r.newman@uclan.ac.uk>
  671.  
  672. The energy of a photon is given by E = hc/lambda, where h is Planck's
  673. constant, c is the speed of light, and lambda is its wavelength.  The
  674. cosmological redshift indicates that the wavelength of a photon
  675. increases as it travels over cosmological distances in the Universe.
  676. Thus, its energy decreases.
  677.  
  678. One of the basic conservation laws is that energy is conserved.  The
  679. decrease in the energy of redshifted photons seems to violate that
  680. law.  However, this argument is flawed.  Specifically, there is a flaw
  681. in assuming Newtonian conservation laws in general relativistic
  682. situations.  To quote Peebles (_Principles of Physical Cosmology_,
  683. 1995, p. 139):
  684.  
  685.       Where does the lost energy go? ... The resolution of this
  686.       apparent paradox is that while energy conservation is a good
  687.       local concept ... and can be defined more generally in the
  688.       special case of an isolated system in asymptotically flat space,
  689.       there is not a general global energy conservation law in general
  690.       relativity theory.
  691.  
  692. In other words, on small scales, say the size of a cluster of
  693. galaxies, the notion of energy conservation is a good one.  However,
  694. on the size scales of the Universe, one can no longer define a
  695. quantity E_total, much less a quantity that is conserved.
  696.  
  697. ------------------------------
  698.  
  699. Subject: There are different ways to measure distances in cosmology?
  700. Author: Joseph Lazio <jlazio@patriot.net>
  701.  
  702. Yes!
  703.  
  704. There are at least three ways one can measure the distance to objects:
  705.  
  706.  * parallax;
  707.  * angular size; or
  708.  * brightness.
  709.  
  710. The parallaxes of cosmologically-distant objects are so small that
  711. they will remain impossible to measure in the foreseeable future (with
  712. the possible exception of some gravitationally-lensed quasars).
  713.  
  714. Suppose there exists an object (or even better a class of objects)
  715. whose intrinsic length is known.  That is, the object can be treated
  716. as a ruler because its length known to be exactly L (e.g., 1 m, 100
  717. light years, 10 kiloparsecs, etc.).  When we look at it, it has an
  718. *angular diameter* of H.  Using basic geometry, we can then derive its
  719. distance to be
  720.                        L
  721.                 D_L = ---
  722.                        H
  723.  
  724. Suppose there exists an object (or even better a class of objects)
  725. whose intrinsic brightness is known.  That is, the object can be
  726. treated as a lightbulb because the amount of energy it is radiating is
  727. known to be F (e.g., 100 Watts, 1 solar luminosity, etc.).  When we
  728. look at it, we measure an *apparent* flux of f.  The distance to the
  729. object is then 
  730.                               F
  731.                 D_F =sqrt( ------ )
  732.                            4*pi*f
  733.  
  734. In general, D_L *is not equal to* D_F!
  735.  
  736. For more details, see "Distance Measures in Cosmology" by David Hogg,
  737. <URL:http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9905116>, and references within.
  738. Plots showing how to convert redshifts to various distance measures
  739. are included in this paper, and the author will provide C code to do
  740. the conversion as well.  Even more details are provided in "A General
  741. and Practical Method for Calculating Cosmological Distances" by Kayser
  742. et al., <URL:http://xxx.lanl.gov/abs/astro-ph/9603028> or <URL:
  743. http://multivac.jb.man.ac.uk:8000/helbig/Research/Publications/info/angsiz.html>.
  744. Fortran code for calculating these distances is provided by the second
  745. set of authors.
  746.  
  747. ------------------------------
  748.  
  749. Subject: Copyright
  750.  
  751.  This document, as a collection, is Copyright 1995--2000 by T. Joseph
  752. W. Lazio (jlazio@patriot.net).  The individual articles are copyright
  753. by the individual authors listed.  All rights are reserved.
  754. Permission to use, copy and distribute this unmodified document by any
  755. means and for any purpose EXCEPT PROFIT PURPOSES is hereby granted,
  756. provided that both the above Copyright notice and this permission
  757. notice appear in all copies of the FAQ itself.  Reproducing this FAQ
  758. by any means, included, but not limited to, printing, copying existing
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  760. agreement to the above non-profit-use clause, unless upon prior
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  762.  
  763.  This FAQ is provided by the authors "as is," with all its faults.
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  768.