Prawo Hubble’a

dnia 14/02/2016

Nazwisko Hubble’a każdy z nas kojarzy z teleskopem, który od 25 lat przybliża nam odległe rejony Wszechświata. Sam Edwin Hubble nie był stereotypowym naukowcem. Wysoki, przystojny sportowiec na pewno złamał wiele serc niewieścich. Edwin był jednym z gigantów astronomii i jednym z twórców (jak nie najważniejszym) współczesnej kosmologii. Współczesne mu postrzeganie Wszechświata jako centralizowanego, zawierającego się tylko w Drodze Mlecznej, zmienił w obecnie nam znany „Wszechświat wyspowy” z miliardami galaktyk. Było to niejako ostateczne zwycięstwo kopernikańskiej kosmologii. Ziemia już od dawna nie była centrum Wszechświata, teraz przyszedł czas na Drogę Mleczną.
Edwin Hubble w roku 1923 rozstrzygnął tak zwaną „Wielką Debatę” pomiędzy Harlowem Shapleyem, a Heberem Curtisem. Obaj panowie spierali się o faktyczny, odpowiadający rzeczywistości model Kosmosu. Shapley był zwolennikiem poglądu, według którego mgławice spiralne, jak wszystkie obiekty na niebie, są nierozłączną częścią naszej galaktyki. Herbert Curtis natomiast, opowiadał się za modelem „Wszechświata wyspowego”, z miliardami galaktyk, niemal autonomicznych światów dryfujących w Przestrzeni. Edwin Hubble ostatecznie udowodnił słuszność tego drugiego poglądu. Badał on bowiem cefeidy w Galaktyce Andromedy, wtedy zwanej jeszcze Mgławicą Andromedy. Użył ich jako świece standardowe do wyznaczenia odległości M31 od Drogi Mlecznej. Świece standardowe to obiekty o znanej jasności absolutnej. Porównując ją z jasnością obserwowaną, można wyznaczyć ich odległość od nas, co za tym idzie odległość do obiektu (galaktyki, mgławicy, gromady) w którym się znajdują. Okazało się, że odległość do Andromedy wielokrotnie przekracza rozmiary naszej galaktyki. Był to początek naszego współczesnego postrzegania Kosmosu, aż ciężko uwierzyć, że dopiero od 90 lat znamy nasze miejsce we Wszechświecie w ujęciu kosmologii.

Notatki Hubble’a na temat cefeid w Galaktyce Andromedy (aip.org)

Notatki Hubble’a na temat cefeid w Galaktyce Andromedy (aip.org)

Wraz z rozwojem teleskopów uzyskiwaliśmy obrazy coraz odleglejszych galaktyk. Niestety nie posiadały one świec standardowych (bądź były trudne do wykrycia), przez co ciężko było wyznaczyć odległość do tych obiektów. Z pomocą przyszedł znany nam wszystkim efekt Dopplera. Sam Christian Doppler mierzył przesunięcie fali dźwiękowej i nie miał jeszcze możliwości mierzenia przesunięcia fal elektromagnetycznych (ku fioletowi w przypadku przybliżania się obiektu i ku czerwieni, gdy obiekt się od nas oddala), jednak przewidział możliwość wykorzystania swojego prawa dla różnych rodzajów fal. Wykorzystanie spektrometru i przesunięcia Dopplera, oraz prędkości radialnej (która jest prędkością mierzoną w kierunku wzdłuż obserwatora do źródła) pozwalało już na wyznaczenie kierunku ruchu gwiazd, czy galaktyk. Okazało się (i nie było to wielkim zaskoczeniem), że niektóre obiekty podążają w naszym kierunku, inne natomiast się od nas oddalają. Kilka lat przed ustaleniem odległości do Galaktyki Andromedy przez Hubble’a, Veto Slipher ustalił dla niej (jak i dla wielu innych galaktyk) prędkość radialną. Okazało się, że zbliża się ona do nas z prędkością 300 kilometrów na sekundę. Jednym z świadków prezentacji tego odkrycia był właśnie Hubble.

Pierwotny wykres Hubble’a, wykazujący zaleznosc miedzy prekoscia radialna a odlegloscia od galaktyki (casa.colorado.edu)

Pierwotny wykres Hubble’a, wykazujący zaleznosc miedzy prekoscia radialna a odlegloscia od galaktyki (casa.colorado.edu)

Na podstawie danych Sliphera stwierdzono, że prędkości ucieczki wielu galaktyk są dodatnie, czyli oddalają się one od nas. Nie wiadomo było jednak, czy faktycznie się oddalają, czy coś w dalekiej przestrzeni je przyciąga. Prędkości ucieczki najbliższych nam galaktyk przyjmują wartości ujemne, galaktyki te dryfują w Przestrzeni w naszą stronę. Jest to związane z faktem grawitacyjnego związania nas i naszych sąsiadów w tak zwaną Grupę Lokalną. Hubble zauważył zależność pomiędzy prędkością ucieczki galaktyki, a odległością od Drogi Mlecznej. Przedstawił on tę zależność na powyższym układzie współrzędnych. Oś x oznacza odległość od nas, oś y jest natomiast prędkością ucieczki. Ukośna linia to tak zwana linia dopasowania, linia najściślej pasująca do danych punktów.
Edwin Hubble ciągle poszerzał zestaw danych. Odkrył on w końcu prostą zależność, którą można wyrazić równaniem V=H0 D. V jest tutaj prędkością ucieczki w kilometrach na godzinę, D przedstawia odległość galaktyki w megaparsekach. Początkowo Hubble używał jedynie parametru H bez „0” w dolnym indeksie, został on wprowadzony później w ramach uznania dla jego odkrycia. V oraz D są do siebie proporcjonalne, H0 jest tutaj stałą proporcjonalności. Stała Hubble’a jest trudna do wyznaczenia. Pierwszą trudnością jest prędkość swoista galaktyk. Dodatkową jest trudność oszacowania odległości do tych najodleglejszych. Obecna wartość H0 ustalona na podstawie misji Planck, prowadzonej przez ESA, to 67,15 (km/s)/Mpc.
Od czasów Kopernika wiemy, że Ziemia nie znajduje się w centrum Wszechświata. Galaktyki powinny więc oddalać się nie tylko od nas, lecz także od siebie. Ogólna teoria względności sugeruje nam rozwiązanie, że galaktyki są obiektami dryfującymi w rozszerzającej się przestrzeni. Im więcej przestrzeni między dwoma galaktykami, tym efektywniej sama przestrzeń się rozszerza i co za tym idzie wzrastają prędkości ucieczki galaktyk. Dało to początek teorii Wielkiego Wybuchu, najbardziej znanej teorii kosmologicznej. Prosta zależność odkryta przez Edwina Hubbla zapoczątkowała nowoczesną kosmologię. Pozwoliła odnaleźć nasze miejsce we Wszechświecie, poszerzyło nasze horyzonty o miliardy lat świetlnych.

Dodaj komentarz