In den 1920er Jahren tobten unter Wissenschaftlern Debatten über die Größe des Universums und die Natur von Nebeln. Einige von ihnen
Der Wissenschaftler berechnete die Entfernung zum NebelAndromeda und zeigte, dass es größer ist als die Milchstraße, was bedeutet, dass wir von einer separaten Galaxie sprechen. Und 1929 veröffentlichte der Wissenschaftler eine Arbeit, in der er anhand von Beobachtungen mehrerer bekannter Galaxien zeigte, dass sie sich in verschiedene Richtungen von der Erde entfernen. Die Regel, die den Zusammenhang zwischen der Entfernung zu einer Galaxie und ihrer Radialgeschwindigkeit herstellt, heißt Hubble-Gesetz oder Hubble-Lemaitre-Gesetz.
Der belgische Priester und Astrophysiker Georges Lemaitre kam zwei Jahre vor Hubble zu denselben Schlussfolgerungen, aber sein Artikel, der auf Französisch und in einer unbeliebten Zeitschrift veröffentlicht wurde, blieb unbeachtet.
Das moderne kosmologische Modell basiert aufPrinzip der Expansion des Universums. Alternative Beobachtungsmethoden geben jedoch unterschiedliche Werte für seine Geschwindigkeit an. Wissenschaftler entwickeln immer neue Wege, um diesem Problem endlich ein Ende zu bereiten. Und danach das Alter, die Entwicklung und die Zusammensetzung des Universums genau bestimmen.
Karte der Expansion des Universums. Bild: NASA, WMAP-Wissenschaftsteam
Expandiert das Universum?
Es gibt keine genaue Antwort auf diese Frage, weilEs ist unmöglich, das System zu verlassen und von außen zu sehen, wie die Dinge wirklich passieren. Aber die Theorie des expandierenden Universums beschreibt Beobachtungen am besten.
Erstens enthüllt die WeltraumforschungRotverschiebung: Es stellte sich heraus, dass je weiter entfernte Objekte von uns entfernt sind, desto mehr Strahlung von ihnen wird in den roten Teil des Spektrums verschoben. In seiner Arbeit zeigte Hubble die Beziehung zwischen Entfernung und Rotverschiebung. Außerdem fand er heraus, dass die Geschwindigkeit sich zurückziehender Objekte proportional zur Entfernung zu ihnen ist. Diese Beobachtungen korrelieren am besten mit der metrischen (linearen) Erweiterung.
Zweitens groß angelegte kosmologische BeobachtungenMit hoher Auflösung fanden sie heraus, dass das Universum zwar auf lokaler Ebene eine „klumpige“ Struktur ist (Galaxien bilden Gruppen, die durch Hohlräume getrennt sind), in großen Entfernungen jedoch homogen ist.
Drittens bestätigt die Homogenität des Weltraums, die durch die Ausdehnung des Universums in alle Richtungen verursacht wird, die Homogenität der Verteilung entfernter Gammablitze und Supernova-Explosionen.
Und schließlich die Beobachtungen des europäischen RaumsObservatorien zeigen, dass der CMB in früheren Zeiten viel wärmer war. Die allmähliche gleichmäßige Abkühlung der Spuren des Urknalls stimmt auch mit der Theorie eines gleichmäßig expandierenden Universums überein.
Wie wird die Hubble-Konstante gemessen?
Der Wert der Konstante, die festgelegt wirdDie Beziehung zwischen der Bewegungsgeschwindigkeit von Galaxien und der Entfernung zu ihnen wird geschätzt, indem die Rotverschiebung entfernter Galaxien gemessen und dann die Entfernungen zu ihnen mit einer anderen Methode als dem Hubble-Gesetz bestimmt werden.
Die ersten Messungen der Konstante wurden von Edwin selbst durchgeführtHubble. Bei der Beobachtung des Andromedanebels mit dem 100-Zoll-Teleskop (254 cm) am Mount Wilson Observatory identifizierte der Wissenschaftler einzelne helle Sterne in seiner Zusammensetzung. Unter ihnen waren Cepheiden. Dabei handelt es sich um eine Klasse pulsierender Variablen gelber Riesen und Überriesen, für die der Zusammenhang zwischen Pulsationsperiode und Leuchtkraft gut untersucht ist.
Durch die Messung beider Parameter berechnete der Wissenschaftlerdie Entfernung zu diesen Sternen sowie die Rotverschiebung von Galaxien, die es ermöglicht, ihre Radialgeschwindigkeit zu bestimmen. Der von Hubble erhaltene Proportionalitätskoeffizient betrug etwa 500 km/s pro Megaparsec (Mpc). Dies bedeutet, dass Objekte, die sich in einer Entfernung von etwa 3,26 Millionen Lichtjahren (1 Mpc) von der Erde befinden, sich mit einer Geschwindigkeit von 500 km / s, 32,6 Millionen Lichtjahren - 5.000 km / s und so weiter von uns entfernen sollten.
Ein Bild der Andromeda-Galaxie, in der EdwinHubble notierte den entdeckten veränderlichen Stern (links) und sein detailliertes Hubble-Bild (rechts). Linkes Bild: Carnegie-Observatorien. Rechtes Bild: NASA, ESA, das Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Der von Hubble erhaltene Wert ist signifikantunterscheidet sich von modernen Beobachtungen. Dies liegt daran, dass der Wissenschaftler die später entdeckten Gesetze nicht kannte, die die Abhängigkeit der Periode und Leuchtkraft der Cepheiden sowie den Einfluss der eigenen Geschwindigkeit der lokalen Galaxiengruppe beeinflussen.
Moderne Beobachtungen geben widersprüchlicheErgebnisse. Messungen des späten Universums ähnlich denen von Hubble, aber mit neueren Daten und leistungsstärkeren Instrumenten (einschließlich eines nach dem Wissenschaftler benannten Weltraumteleskops), sagen eine kosmologische Konstante von 73 ± 1 km/s pro Mpc voraus. Und die bei der Untersuchung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung des frühen Universums erhaltenen Daten betragen 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc.
Schema zur Messung einer Konstante mit dem Hubble-Teleskop. Bild: NASA, ESA, A. Feild (STScI) und A. Riess (STScI/JHU)
Gibt es Alternativen?
In einem Artikel, der im August in der Zeitschrift veröffentlicht wurdePhysical Review Letters schlagen Wissenschaftler der University of Chicago vor, Gravitationswellen zu verwenden, die beim Zusammenstoß schwarzer Löcher entstehen, um die Expansionsrate des Universums zu messen.
Es tritt ein Effekt ähnlich der Rotverschiebung aufbei der Ausbreitung von Gravitationswellen. Kollision supermassereicher Schwarzer Löcher, ein gewaltiges Ereignis. Es verursacht Gravitationswellen in der Raumzeit, die sich wie Wellen auf dem Wasser eines heruntergefallenen Steins ausbreiten.
Diese "Welligkeit" wird auf der Erde vom Amerikaner gemessenLaserinterferometrisches Gravitationswellenobservatorium (LIGO) und das italienische Observatorium Virgo. Beide Observatorien sammeln seit mehreren Jahren Daten über die Kollision von mehr als 100 Schwarzen-Loch-Paaren.
Das Signal von jeder Kollision enthältInformationen darüber, wie massiv Schwarze Löcher waren. Aber aufgrund der Expansion des Universums ist es verzerrt. Infolgedessen beginnt ein weiter entferntes Schwarzes Loch massiver zu erscheinen.
Wissenschaftler schlagen vor, gesammelte Daten zu nutzenüber Schwarze Löcher, um das Gerät zu „kalibrieren“. Aktuelle Erkenntnisse deuten beispielsweise darauf hin, dass die meisten entdeckten Schwarzen Löcher eine Masse zwischen dem 5- und 40-fachen der Masse unserer Sonne haben.
Forscher glauben, dass, wenn Sie die Massen messenuns am nächsten kollidierende Schwarze Löcherpaare zusammenstoßen und sich dann allmählich weiterbewegen, dann lässt sich an einer Vielzahl von Beispielen feststellen, wie stark sich die „beobachteten“ Massen Schwarzer Löcher mit zunehmender Entfernung verändern. Es ist dieser Wert, der die Expansionsrate des Universums bestimmt.
Eine Illustration der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher. Bild: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project, University of Chicago
Der Nachteil der meisten modernen MethodenBeobachtung der Raumausdehnung ist, dass einzelne Ursachen, die das erzielte Ergebnis verfälschen, möglicherweise noch nicht bekannt sind. Hubble kannte nicht alle Faktoren, die die Beziehung zwischen Leuchtkraft und Pulsationsperiodizität bei Cepheiden beeinflussen, daher enthielten seine Messungen Fehler. Auch moderne Vorstellungen über das Universum, die Materie und die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen sind möglicherweise unvollständig.
Im Gegensatz zu kosmologischen Beobachtungen ist die Methodevorgeschlagen von Wissenschaftlern aus Chicago, verwendet nur die Theorie der Schwerkraft, die viel besser verstanden wird. Es gab also eine Chance, der Frage der Expansionsrate des Universums ein Ende zu bereiten.
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