I 1920'erne rasede debat blandt videnskabsmænd om størrelsen af universet og stjernetåger. Nogle af dem
Forskeren beregnede afstanden til tågenAndromeda og viste, at den er større end Mælkevejens størrelse, hvilket betyder, at vi taler om en separat galakse. Og i 1929 udgav videnskabsmanden et papir, hvor han på baggrund af observationer af flere kendte galakser viste, at de bevæger sig væk fra Jorden i forskellige retninger. Reglen, der fastslår forholdet mellem afstanden til en galakse og dens radiale hastighed, kaldes Hubble-loven eller Hubble-Lemaitre-loven.
Den belgiske præst og astrofysiker Georges Lemaitre kom til de samme konklusioner to år før Hubble, men hans papir, udgivet på fransk og i et upopulært blad, gik ubemærket hen.
Den moderne kosmologiske model er baseret påprincippet om universets udvidelse. Imidlertid giver alternative observationsmetoder forskellige værdier for dens hastighed. Forskere fortsætter med at udvikle nye måder til endelig at sætte en stopper for dette problem. Og derefter bestemme nøjagtigt universets alder, udvikling og sammensætning.
Kort over universets udvidelse. Billede: NASA, WMAP Science Team
Udvider universet sig?
Der er ikke noget præcist svar på dette spørgsmål pgadet er umuligt at gå uden for systemet og se udefra, hvordan tingene virkelig sker. Men teorien om det ekspanderende univers beskriver bedst observationer.
Først afslører rumforskningrødforskydning: det viste sig, at jo længere objekter er fra os, jo mere stråling fra dem, skifter til den røde del af spektret. I sit papir viste Hubble forholdet mellem afstand og rødforskydning. Derudover fandt han ud af, at hastigheden af vigende genstande er proportional med afstanden til dem. Disse observationer er bedst korreleret med metrisk (lineær) ekspansion.
For det andet storstilede kosmologiske observationermed dyb opløsning fandt de ud af, at selvom universet på lokale skalaer er en "klumpet" struktur (galakser danner grupper adskilt af hulrum), er det homogent på store afstande.
For det tredje bekræfter rummets homogenitet, forårsaget af universets udvidelse i alle retninger, homogeniteten af fordelingen af fjerne gammastråleudbrud og supernovaeksplosioner.
Og endelig, observationerne af det europæiske rumobservatorier viser, at CMB var meget varmere i tidligere tider. Den gradvise ensartede afkøling af sporene fra Big Bang er også i overensstemmelse med teorien om et ensartet ekspanderende univers.
Hvordan måles Hubble-konstanten?
Værdien af den konstant, der sætterforholdet mellem galaksernes bevægelseshastighed og afstanden til dem estimeres ved at måle rødforskydningen af fjerne galakser og derefter bestemme afstandene til dem ved en anden metode end Hubbles lov.
De første målinger af konstanten blev udført af Edwin selvHubble. Ved at observere Andromeda-tågen ved hjælp af 100-tommer (254 cm) teleskopet ved Mount Wilson Observatory, identificerede videnskabsmanden individuelle klare stjerner i dens sammensætning. Blandt dem var Cepheider. Dette er en klasse af pulserende variabler af gule kæmper og supergiganter, for hvilke forholdet mellem pulsationsperioden og lysstyrken er velundersøgt.
Ved at måle begge parametre beregnede videnskabsmandenafstanden til disse stjerner, samt galaksernes rødforskydning, som gør det muligt at bestemme deres radiale hastighed. Proportionalitetskoefficienten opnået af Hubble var omkring 500 km/s pr. megaparsec (Mpc). Det betyder, at objekter placeret i en afstand af omkring 3,26 millioner lysår (1 Mpc) fra Jorden bør bevæge sig væk fra os med en hastighed på 500 km/s, 32,6 millioner lysår - 5.000 km/s, og så videre.
Et billede af Andromeda-galaksen, hvor EdwinHubble bemærkede den opdagede variable stjerne (venstre) og dens detaljerede Hubble-billede (højre). Venstre billede: Carnegie Observatories. Højre billede: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Værdien opnået af Hubble er betydeligadskiller sig fra moderne observationer. Dette skyldes det faktum, at videnskabsmanden ikke kendte de love, der blev opdaget senere, og som påvirker afhængigheden af perioden og lysstyrken af cepheider, samt indflydelsen af den lokale gruppe af galaksers egen hastighed.
Moderne observationer giver modstridenderesultater. Målinger fra det sene univers, der ligner dem, Hubble har lavet, men med nyere data og mere kraftfulde instrumenter (inklusive et rumteleskop opkaldt efter videnskabsmanden), forudsiger en kosmologisk konstant på 73 ± 1 km/s pr. Mpc. Og dataene opnået i studiet af den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling fra det tidlige univers er 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc.
Skema til måling af en konstant ved hjælp af Hubble-teleskopet. Billede: NASA, ESA, A. Feild (STScI) og A. Riess (STScI/JHU)
Er der alternativer?
I et papir offentliggjort i august i tidsskriftetPhysical Review Letters foreslår forskere fra University of Chicago at bruge gravitationsbølger, der genereres, når sorte huller kolliderer for at måle universets ekspansionshastighed.
Der opstår en effekt svarende til rødforskydningunder udbredelsen af gravitationsbølger. Kollision af supermassive sorte huller, en stærk begivenhed. Det forårsager gravitationsbølger i rum-tid, der spreder sig som krusninger på vand fra en falden sten.
Denne "krusning" er målt på Jorden af amerikanerenlaserinterferometrisk gravitationsbølgeobservatorium (LIGO) og det italienske observatorium Virgo. I flere år har begge observatorier indsamlet data om kollisionen af mere end 100 par sorte huller.
Signalet fra hver kollision indeholderoplysninger om, hvor massive sorte huller var. Men på grund af universets udvidelse er det forvrænget. Som et resultat begynder et sort hul længere væk at virke mere massivt.
Forskere foreslår at bruge akkumulerede dataom sorte huller for at "kalibrere" enheden. For eksempel tyder aktuelle beviser på, at de fleste opdagede sorte huller har en masse mellem 5 og 40 gange vores sols masse.
Forskere mener, at hvis man måler massernepar kolliderende sorte huller tættest på os, og derefter gradvist gå videre, så er det på en lang række eksempler muligt at fastslå, hvor meget de "observerede" masser af sorte huller ændrer sig i takt med at afstanden øges. Det er denne værdi, der bestemmer universets ekspansionshastighed.
En illustration af fusionen af to sorte huller. Billede: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project, University of Chicago
Ulempen ved de fleste moderne metoderobservation af rummets udvidelse er, at individuelle årsager, der forvrænger det opnåede resultat, måske endnu ikke er kendt. Hubble kendte ikke til alle de faktorer, der påvirker forholdet mellem lysstyrke og pulsationsperiodicitet i cepheider, så hans målinger indeholdt fejl. Også moderne ideer om universet, stof og udbredelsen af elektromagnetiske bølger kan være ufuldstændige.
I modsætning til kosmologiske observationer, metodenforeslået af videnskabsmænd fra Chicago, bruger kun teorien om tyngdekraften, som er meget bedre forstået. Så der var en chance for at sætte en stopper for spørgsmålet om udvidelseshastigheden af universet.
Læs mere:
Rekordkoronal masseudslyngning ved Betelgeuse er 400 milliarder gange større end solen
Megalodon spiste et dyr på størrelse med en spækhugger ad gangen
Everest fandt spor af DNA, som ikke burde være der