W latach dwudziestych XX wieku wśród naukowców toczyła się debata na temat wielkości Wszechświata i natury mgławic. Niektórzy z nich
Naukowiec obliczył odległość do mgławicyAndromeda i pokazał, że jest większy niż rozmiar Drogi Mlecznej, co oznacza, że mówimy o osobnej galaktyce. A w 1929 roku naukowiec opublikował artykuł, w którym na podstawie obserwacji kilku znanych galaktyk wykazał, że oddalają się one od Ziemi w różnych kierunkach. Reguła określająca zależność między odległością do galaktyki a jej prędkością radialną nazywana jest prawem Hubble'a lub prawem Hubble'a-Lemaitre'a.
Belgijski ksiądz i astrofizyk Georges Lemaitre doszedł do tych samych wniosków dwa lata przed Hubble'em, ale jego artykuł, opublikowany po francusku i w niepopularnym czasopiśmie, pozostał niezauważony.
Współczesny model kosmologiczny opiera się na:zasada ekspansji wszechświata. Jednak alternatywne metody obserwacji dają różne wartości jego szybkości. Naukowcy wciąż opracowują nowe sposoby, aby ostatecznie rozwiązać ten problem. A potem dokładnie określ wiek, ewolucję i skład wszechświata.
Mapa ekspansji wszechświata. Zdjęcie: NASA, Zespół Naukowy WMAP
Czy wszechświat się rozszerza?
Nie ma dokładnej odpowiedzi na to pytanie, ponieważniemożliwe jest wyjście poza system i zobaczenie z zewnątrz, jak rzeczy naprawdę się dzieją. Ale teoria rozszerzającego się wszechświata najlepiej opisuje obserwacje.
Po pierwsze, odkrywamy eksplorację kosmosuredshift: okazało się, że im dalej od nas znajdują się obiekty, tym więcej promieniowania z nich jest przesunięte do czerwonej części widma. W swoim artykule Hubble pokazał związek między odległością a przesunięciem ku czerwieni. Ponadto odkrył, że prędkość oddalających się obiektów jest proporcjonalna do odległości do nich. Te obserwacje są najlepiej skorelowane z ekspansją metryczną (liniową).
Po drugie, obserwacje kosmologiczne na dużą skalęz głęboką rozdzielczością odkryli, że choć w skalach lokalnych Wszechświat jest strukturą „nierówną” (galaktyki tworzą grupy oddzielone pustkami), to na dużych odległościach jest jednorodny.
Po trzecie, jednorodność przestrzeni, spowodowana ekspansją Wszechświata we wszystkich kierunkach, potwierdza jednorodność rozkładu odległych rozbłysków gamma i wybuchów supernowych.
I wreszcie obserwacje przestrzeni europejskiejobserwatoria pokazują, że CMB było znacznie cieplejsze we wcześniejszych czasach. Stopniowe, jednorodne ochładzanie się śladów Wielkiego Wybuchu jest również zgodne z teorią jednorodnie rozszerzającego się Wszechświata.
Jak mierzy się stałą Hubble'a?
Wartość stałej, która ustawiazwiązek między prędkością ruchu galaktyk a odległością do nich szacuje się, mierząc przesunięcie ku czerwieni odległych galaktyk, a następnie określając odległości do nich inną metodą niż prawo Hubble'a.
Pierwsze pomiary tej stałej przeprowadził sam EdwinHubble'a. Obserwując Mgławicę Andromedy za pomocą 100-calowego (254 cm) teleskopu w Obserwatorium Mount Wilson, naukowiec zidentyfikował w jej składzie pojedyncze jasne gwiazdy. Wśród nich były cefeidy. Jest to klasa zmiennych pulsujących żółtych olbrzymów i nadolbrzymów, dla której dobrze zbadano związek między okresem pulsacji a jasnością.
Po zmierzeniu obu parametrów naukowiec obliczyłodległość do tych gwiazd, a także przesunięcie ku czerwieni galaktyk, co pozwala określić ich prędkość radialną. Współczynnik proporcjonalności uzyskany przez Hubble'a wynosił około 500 km/s na megaparsek (Mpc). Oznacza to, że obiekty znajdujące się w odległości około 3,26 mln lat świetlnych (1 Mpc) od Ziemi powinny oddalać się od nas z prędkością 500 km/s, 32,6 mln lat świetlnych – 5000 km/s i tak dalej.
Obraz galaktyki Andromedy, w której EdwinHubble zauważył odkrytą gwiazdę zmienną (po lewej) i jej szczegółowe zdjęcie z Hubble'a (po prawej). Zdjęcie po lewej: Obserwatoria Carnegie. Zdjęcie po prawej: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Wartość uzyskana przez Hubble'a jest znaczącaróżni się od współczesnych obserwacji. Wynika to z faktu, że naukowiec nie znał odkrytych później praw, które wpływają na zależność okresu i jasności cefeid, a także wpływ własnej prędkości lokalnej grupy galaktyk.
Współczesne obserwacje dają sprzecznościwyniki. Pomiary późnego Wszechświata podobne do tych wykonanych przez Hubble'a, ale z nowszymi danymi i potężniejszymi instrumentami (w tym teleskopem kosmicznym nazwanym na cześć naukowca), przewidują stałą kosmologiczną 73 ± 1 km/s na Mpc. Dane uzyskane w badaniu kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła wczesnego Wszechświata wynoszą 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc.
Schemat pomiaru stałej za pomocą teleskopu Hubble'a. Zdjęcie: NASA, ESA, A. Feild (STScI) i A. Riess (STScI/JHU)
Czy istnieją alternatywy?
W artykule opublikowanym w sierpniu w czasopiśmiePhysical Review Letters, naukowcy z University of Chicago proponują wykorzystanie fal grawitacyjnych generowanych podczas zderzenia czarnych dziur do pomiaru tempa ekspansji wszechświata.
Эффект аналогичный красному смещения возникает podczas propagacji fal grawitacyjnych. Zderzenie supermasywnych czarnych dziur, potężne wydarzenie. Powoduje fale grawitacyjne w czasoprzestrzeni, które rozprzestrzeniają się niczym zmarszczki na wodzie spowodowane przez upadły kamień.
Ta „fala” jest mierzona na Ziemi przez Amerykaninalaserowe obserwatorium interferometrycznej fali grawitacyjnej (LIGO) oraz włoskie obserwatorium Virgo. Od kilku lat oba obserwatoria zbierają dane na temat zderzeń ponad 100 par czarnych dziur.
Sygnał z każdej kolizji zawierainformacje o tym, jak masywne były czarne dziury. Ale z powodu ekspansji wszechświata jest zniekształcony. W rezultacie znajdująca się dalej czarna dziura zaczyna wydawać się masywniejsza.
Naukowcy proponują wykorzystanie zgromadzonych danycho czarnych dziurach w celu „skalibrowania” urządzenia. Na przykład obecne dowody sugerują, że większość odkrytych czarnych dziur ma masę od 5 do 40 mas Słońca.
Naukowcy uważają, że jeśli zmierzyć masypary zderzających się najbliżej nas czarnych dziur, a następnie stopniowo przesuwać się dalej, a następnie na wielu przykładach można ustalić, jak bardzo „obserwowane” masy czarnych dziur zmieniają się wraz ze wzrostem odległości. To właśnie ta wartość określi tempo ekspansji Wszechświata.
Ilustracja połączenia dwóch czarnych dziur. Zdjęcie: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project, University of Chicago
Wada najnowocześniejszych metodObserwacja rozszerzania się przestrzeni polega na tym, że poszczególne przyczyny zniekształcające uzyskany wynik mogą nie być jeszcze znane. Hubble nie znał wszystkich czynników wpływających na związek między jasnością a okresowością pulsacji w cefeidach, więc jego pomiary zawierały błędy. Również współczesne wyobrażenia o Wszechświecie, materii i propagacji fal elektromagnetycznych mogą być niekompletne.
W przeciwieństwie do obserwacji kosmologicznych, metodazaproponowana przez naukowców z Chicago wykorzystuje jedynie teorię grawitacji, która jest znacznie lepiej poznana. Była więc szansa, aby położyć kres kwestii tempa ekspansji wszechświata.
Czytaj więcej:
Rekordowy koronalny wyrzut masy w Betelgeuse jest 400 miliardów razy większy niż Słońce
Megalodon zjadał jednorazowo zwierzę wielkości orki
Everest znalazł ślady DNA, których nie powinno tam być