1920-luvulla tutkijoiden keskuudessa käytiin keskustelua maailmankaikkeuden koosta ja sumujen luonteesta. Jotkut heistä
Tiedemies laski etäisyyden sumuunAndromeda ja osoitti, että se on suurempi kuin Linnunradan koko, mikä tarkoittaa, että puhumme erillisestä galaksista. Ja vuonna 1929 tiedemies julkaisi paperin, jossa hän osoitti useiden tunnettujen galaksien havaintojen perusteella, että ne ovat siirtymässä pois maasta eri suuntiin. Sääntöä, joka määrittää galaksin etäisyyden ja sen säteittäisen nopeuden välisen suhteen, kutsutaan Hubblen laiksi tai Hubble-Lemaitren laiksi.
Belgialainen pappi ja astrofyysikko Georges Lemaitre tuli samoihin johtopäätöksiin kaksi vuotta ennen Hubblea, mutta hänen ranskaksi ja epäsuositussa lehdessä julkaistu artikkeli jäi huomaamatta.
Moderni kosmologinen malli perustuuuniversumin laajenemisen periaate. Vaihtoehtoiset havaintomenetelmät antavat kuitenkin erilaisia arvoja sen nopeudelle. Tiedemiehet jatkavat uusien tapojen kehittämistä vihdoin lopettaakseen tämän ongelman. Ja sen jälkeen määritä tarkasti maailmankaikkeuden ikä, kehitys ja koostumus.
Kartta maailmankaikkeuden laajenemisesta. Kuva: NASA, WMAP Science Team
Laajentuuko maailmankaikkeus?
Tähän kysymykseen ei ole tarkkaa vastausta, koskaon mahdotonta mennä järjestelmän ulkopuolelle ja nähdä ulkopuolelta, kuinka asiat todella tapahtuvat. Mutta teoria laajenevasta universumista kuvaa parhaiten havaintoja.
Ensinnäkin avaruustutkimus paljastaapunasiirtymä: kävi ilmi, että mitä kauempana esineet ovat meistä, sitä enemmän niistä tuleva säteily siirtyy spektrin punaiseen osaan. Hubble osoitti paperissaan etäisyyden ja punasiirtymän välisen suhteen. Lisäksi hän havaitsi, että poistuvien esineiden nopeus on verrannollinen etäisyyteen niihin. Nämä havainnot korreloivat parhaiten metrisen (lineaarisen) laajennuksen kanssa.
Toiseksi laajamittaiset kosmologiset havainnotsyvällä tarkkuudella he havaitsivat, että vaikka paikallisessa mittakaavassa maailmankaikkeus on "möykkyinen" rakenne (galaksit muodostavat ryhmiä, joita erottaa ontelot), se on suurilla etäisyyksillä homogeeninen.
Kolmanneksi universumin kaikkiin suuntiin laajenemisen aiheuttama avaruuden homogeenisuus vahvistaa etäisten gammapurkausten ja supernovaräjähdysten jakautumisen homogeenisuuden.
Ja lopuksi havainnot eurooppalaisesta avaruudestaobservatoriot osoittavat, että CMB oli paljon lämpimämpi aikaisempina aikoina. Alkuräjähdyksen jälkien asteittainen tasainen jäähtyminen on myös yhdenmukainen tasaisesti laajenevan universumin teorian kanssa.
Miten Hubblen vakio mitataan?
Asettavan vakion arvogalaksien kulkunopeuden ja niihin etäisyyden välinen suhde arvioidaan mittaamalla kaukaisten galaksien punasiirtymä ja määrittämällä sitten etäisyydet niihin jollain muulla menetelmällä kuin Hubblen lailla.
Vakion ensimmäiset mittaukset suoritti Edwin itseHubble. Tarkkaillessaan Andromeda-sumua Mount Wilsonin observatorion 100 tuuman (254 cm) teleskoopilla, tiedemies tunnisti sen koostumuksesta yksittäisiä kirkkaita tähtiä. Heidän joukossaan oli kefeidejä. Tämä on keltaisten jättiläisten ja superjättiläisten sykkivien muuttujien luokka, jonka pulsaatiojakson ja valoisuuden välinen suhde on hyvin tutkittu.
Mittaamalla molemmat parametrit, tiedemies laskietäisyys näihin tähtiin sekä galaksien punasiirtymä, jonka avulla on mahdollista määrittää niiden säteittäinen nopeus. Hubblen saama suhteellisuuskerroin oli noin 500 km/s per megaparsekki (Mpc). Tämä tarkoittaa, että kohteiden, jotka sijaitsevat noin 3,26 miljoonan valovuoden (1 Mpc) etäisyydellä Maasta, tulisi siirtyä pois meistä nopeudella 500 km / s, 32,6 miljoonaa valovuotta - 5 000 km / s ja niin edelleen.
Kuva Andromedan galaksista, jossa EdwinHubble havaitsi löydetyn muuttuvan tähden (vasemmalla) ja sen yksityiskohtaisen Hubble-kuvan (oikealla). Vasen kuva: Carnegie Observatories. Oikea kuva: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Hubblen saama arvo on merkittäväeroaa nykyaikaisista havainnoista. Tämä johtuu siitä, että tiedemies ei tiennyt myöhemmin löydettyjä lakeja, jotka vaikuttavat kefeidien ajanjakson ja valoisuuden riippuvuuteen sekä paikallisen galaksiryhmän oman nopeuden vaikutukseen.
Nykyaikaiset havainnot antavat ristiriitaisiatuloksia. Myöhään universumin mittaukset, jotka ovat samankaltaisia kuin Hubblen tekemät, mutta uusilla tiedoilla ja tehokkaammilla instrumenteilla (mukaan lukien tiedemiehen mukaan nimetty avaruusteleskooppi), ennustavat kosmologiseksi vakioksi 73 ± 1 km/s per Mpc. Ja varhaisen universumin kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn tutkimuksessa saadut tiedot ovat 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc.
Kaavio vakion mittaamiseksi käyttämällä Hubble-teleskooppia. Kuva: NASA, ESA, A. Feild (STScI) ja A. Riess (STScI/JHU)
Onko vaihtoehtoja?
Elokuussa lehdessä julkaistussa artikkelissaPhysical Review Letters, Chicagon yliopiston tutkijat ehdottavat mustien aukkojen törmäyksessä syntyneiden gravitaatioaaltojen käyttöä maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden mittaamiseen.
Ilmenee punasiirtymän kaltainen vaikutusgravitaatioaaltojen etenemisen aikana. Supermassiivisten mustien aukkojen törmäys, voimakas tapahtuma. Se aiheuttaa aika-avaruudessa gravitaatioaaltoja, jotka leviävät väreinä veteen kaatuneesta kivestä.
Amerikkalaiset mittaavat tämän "aaltoilun" maan päällälaserinterferometrinen gravitaatioaaltoobservatorio (LIGO) ja italialainen observatorio Virgo. Molemmat observatoriot ovat useiden vuosien ajan keränneet tietoja yli 100 mustan aukon parin törmäyksestä.
Jokaisen törmäyksen signaali sisältäätietoa mustien aukkojen massiivisuudesta. Mutta universumin laajenemisen vuoksi se on vääristynyt. Tämän seurauksena kauempana oleva musta aukko alkaa näyttää massiivisemmalta.
Tutkijat ehdottavat kerättyjen tietojen käyttöämustista aukoista laitteen "kalibroimiseksi". Esimerkiksi nykyiset todisteet viittaavat siihen, että useimpien löydettyjen mustien aukkojen massa on 5–40 kertaa aurinkomme massa.
Tutkijat uskovat, että jos mitataan massojaLähimpänä meitä törmäävien mustien aukkojen paria, ja sitten vähitellen eteenpäin, niin monilla esimerkeillä voidaan todeta, kuinka paljon mustien aukkojen "havaitut" massat muuttuvat etäisyyden kasvaessa. Tämä arvo määrittää maailmankaikkeuden laajenemisnopeuden.
Esimerkki kahden mustan aukon yhdistämisestä. Kuva: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project, Chicagon yliopisto
Useimpien nykyaikaisten menetelmien haittaAvaruuden laajenemisen havainnointi on, että toistaiseksi yksittäisiä syitä, jotka vääristävät saatua tulosta, ei ehkä tiedetä. Hubble ei tiennyt kaikista tekijöistä, jotka vaikuttavat kefeidien valoisuuden ja pulsaatioiden jaksollisuuden väliseen suhteeseen, joten hänen mittauksissaan oli virheitä. Myös nykyaikaiset käsitykset maailmankaikkeudesta, aineesta ja sähkömagneettisten aaltojen leviämisestä voivat olla epätäydellisiä.
Toisin kuin kosmologiset havainnot, menetelmäChicagon tutkijoiden ehdottama, käyttää vain painovoimateoriaa, joka on paljon paremmin ymmärretty. Joten oli mahdollisuus lopettaa kysymys maailmankaikkeuden laajenemisnopeudesta.
Lue lisää:
Ennätyskoronaalimassan ejektio Betelgeusessa on 400 miljardia kertaa suurempi kuin aurinko
Megalodon söi miekkavalan kokoisen eläimen kerrallaan
Everest löysi DNA-jälkiä, joita ei pitäisi olla siellä