På 1920-talet rasade debatten bland forskare om universums storlek och nebulosornas natur. Några av dem
Forskaren beräknade avståndet till nebulosanAndromeda och visade att den är större än Vintergatans storlek, vilket betyder att vi pratar om en separat galax. Och 1929 publicerade forskaren ett dokument där han, baserat på observationer av flera kända galaxer, visade att de rör sig bort från jorden i olika riktningar. Regeln som fastställer förhållandet mellan avståndet till en galax och dess radiella hastighet kallas Hubble-lagen eller Hubble-Lemaitre-lagen.
Den belgiske prästen och astrofysikern Georges Lemaitre kom till samma slutsatser två år före Hubble, men hans tidning, publicerad på franska och i en impopulär tidskrift, gick obemärkt förbi.
Den moderna kosmologiska modellen bygger påprincipen om universums expansion. Alternativa observationsmetoder ger dock olika värden för dess hastighet. Forskare fortsätter att utveckla nya sätt att äntligen få ett slut på denna fråga. Och efter det, bestäm exakt universums ålder, utveckling och sammansättning.
Karta över universums expansion. Bild: NASA, WMAP Science Team
Expanderar universum sig?
Det finns inget exakt svar på denna fråga eftersomdet är omöjligt att gå utanför systemet och se utifrån hur saker och ting verkligen händer. Men teorin om det expanderande universum beskriver observationer bäst.
Först avslöjar rymdutforskningrödförskjutning: det visade sig att ju längre bort objekten är från oss, desto mer förskjuts strålningen från dem till den röda delen av spektrumet. I sin tidning visade Hubble sambandet mellan avstånd och rödförskjutning. Dessutom fann han att hastigheten på föremål som går tillbaka är proportionell mot avståndet till dem. Dessa observationer är bäst korrelerade med metrisk (linjär) expansion.
För det andra storskaliga kosmologiska observationermed djup upplösning fann de att även om universum på lokala skalor är en "klumpig" struktur (galaxer bildar grupper åtskilda av tomrum), är det homogent på stora avstånd.
För det tredje bekräftar homogeniteten i rymden, orsakad av universums expansion i alla riktningar, homogeniteten i fördelningen av avlägsna gammastrålningskurar och supernovaexplosioner.
Och slutligen, observationerna från det europeiska rymdenobservatorier visar att CMB var mycket varmare i tidigare tider. Den gradvisa enhetliga avkylningen av spåren från Big Bang är också förenlig med teorin om ett enhetligt expanderande universum.
Hur mäts Hubble-konstanten?
Värdet på konstanten som sätterförhållandet mellan rörelsehastigheten för galaxer och avståndet till dem uppskattas genom att mäta rödförskjutningen för avlägsna galaxer och sedan bestämma avstånden till dem med någon annan metod än Hubbles lag.
De första mätningarna av konstanten utfördes av Edwin självHubble. Genom att observera Andromeda-nebulosan med hjälp av 100-tums (254 cm) teleskopet vid Mount Wilson Observatory, identifierade forskaren enskilda ljusstarka stjärnor i dess sammansättning. Bland dem var Cepheider. Detta är en klass av pulserande variabler för gula jättar och superjättar, för vilka förhållandet mellan pulsationsperioden och ljusstyrkan är väl studerat.
Genom att mäta båda parametrarna beräknade forskarenavståndet till dessa stjärnor, liksom galaxernas rödförskjutning, vilket gör det möjligt att bestämma deras radiella hastighet. Proportionalitetskoefficienten som erhölls av Hubble var cirka 500 km/s per megaparsec (Mpc). Det betyder att föremål som ligger på ett avstånd av cirka 3,26 miljoner ljusår (1 Mpc) från jorden bör röra sig bort från oss med en hastighet av 500 km/s, 32,6 miljoner ljusår - 5 000 km/s, och så vidare.
En bild av Andromedagalaxen där EdwinHubble noterade den upptäckta variabla stjärnan (vänster) och dess detaljerade Hubble-bild (höger). Vänster bild: Carnegie Observatories. Höger bild: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Värdet som Hubble har erhållit är betydandeskiljer sig från moderna observationer. Detta beror på det faktum att vetenskapsmannen inte kände till de lagar som upptäcktes senare och som påverkar beroendet av perioden och ljusstyrkan hos cefeider, samt påverkan av den egna hastigheten hos den lokala gruppen av galaxer.
Moderna observationer ger motsägelsefullaresultat. Sen universums mätningar liknande de som Hubble gjort, men med nyare data och kraftfullare instrument (inklusive ett rymdteleskop uppkallat efter vetenskapsmannen), förutsäger en kosmologisk konstant på 73 ± 1 km/s per Mpc. Och data som erhållits i studien av den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen från det tidiga universum är 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc.
Schema för att mäta en konstant med Hubble-teleskopet. Bild: NASA, ESA, A. Feild (STScI) och A. Riess (STScI/JHU)
Finns det alternativ?
I en artikel publicerad i augusti i tidskriftenPhysical Review Letters, forskare vid University of Chicago föreslår att man använder gravitationsvågor som genereras när svarta hål kolliderar för att mäta universums expansionshastighet.
En effekt som liknar rödförskjutning uppstårunder utbredningen av gravitationsvågor. Kollision av supermassiva svarta hål, en kraftfull händelse. Det orsakar gravitationsvågor i rum-tid som sprider sig som krusningar på vatten från en nedfallen sten.
Denna "krusning" mäts på jorden av amerikanenlaserinterferometriska gravitationsvågsobservatoriet (LIGO) och det italienska observatoriet Virgo. Under flera år har båda observatorierna samlat in data om kollisionen av mer än 100 par svarta hål.
Signalen från varje kollision innehållerinformation om hur massiva svarta hål var. Men på grund av universums expansion är det förvrängt. Som ett resultat börjar ett svart hål längre bort verka mer massivt.
Forskare föreslår att använda ackumulerade dataom svarta hål för att "kalibrera" enheten. Till exempel tyder nuvarande bevis på att de flesta svarta hål som upptäckts har en massa mellan 5 och 40 gånger vår sols massa.
Forskare tror att om man mäter massornapar av kolliderande svarta hål närmast oss, och sedan gradvis gå vidare, sedan på ett stort antal exempel är det möjligt att fastställa hur mycket de "observerade" massorna av svarta hål förändras när avståndet ökar. Det är detta värde som bestämmer universums expansionshastighet.
En illustration av sammanslagning av två svarta hål. Bild: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project, University of Chicago
Nackdelen med de flesta moderna metoderobservation av utvidgningen av rymden är att enskilda orsaker som förvränger det erhållna resultatet kanske ännu inte är kända. Hubble kände inte till alla faktorer som påverkar förhållandet mellan ljusstyrka och pulsationsperiodicitet hos Cepheider, så hans mätningar innehöll fel. Moderna idéer om universum, materia och utbredningen av elektromagnetiska vågor kan också vara ofullständiga.
Till skillnad från kosmologiska observationer, metodenföreslagit av forskare från Chicago, använder bara teorin om gravitation, som är mycket bättre förstådd. Så det fanns en chans att sätta stopp för frågan om universums expansionshastighet.
Läs mer:
Rekordkoronal massutkastning vid Betelgeuse är 400 miljarder gånger större än solen
Megalodon åt ett djur som var lika stort som en späckhuggare åt gången
Everest hittade spår av DNA som inte borde finnas där