25 юли 2021
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Загадката на разширяващата се Вселена и законът на Хъбъл

Свързани новини

В началото на ХХ в. преобладаващото e разбирането, че всички видими звезди на небесната сфера са част от една и и съща Галактика – нашата. Наблюденията на Едуин Хъбъл обаче, доказват, че повечето „светлини“ на небето не са отделни звезди, а многобройни други галактики, различни по своята форма и вид, които по някаква причина се отдалечават от нас.

Неговите изследвания доказват, че Вселената е в пъти по-голяма, от това което се е смятало до момента и освен това се разширява с ускорителни темпове. Тези открития на Хъбъл преобръщат астрономията и идеите за Вселената през 20-те години на миналия век, като благодарене на него и работата му, астрономията е призната за подраздел на физиката.

Кой е Хъбъл?

Едуин Хъбъл е американски астроном, роден на 20 ноември 1889 г.

Снимка 1.1: Едуин Хъбъл. Източник: Wikipedia

От малък се увлича по научно-фантастичните новели, като една от любимите му книги е „Двадесет хиляди левги под водата“ на Жул Верн. Учи астрономия в Чикагския университет, след което е нает в Калифорнийската обсерватория Маунт Уилсън, където помага за довършване на конструкцията на телескопа Хуукър.
Провежда своите изследвания в Маунт Уилсън, както и в обсерваторията Паломар до края на живота си - 28 септември 1953 г.

Своите велики открития Хъбъл прави използвайки именно телескопа Хуукър, а първото от тях му донася прозвището – „човекът, който откри космоса“.

Многобройните Галактики

През 1923 г. все още се е смятало, че Вселената е относително малко място, заето от една единствена галактика – Млечния път. Всичко онова, което можело да се види по нощното небе, се считало за звезда или мъглявина (облак от прах и газ), намиращ се в нашата галактика.

Хъбъл, бил запленен от една от тези мъглявини - Андромеда. Тя била върде нетипична. През годините, в нея били наблюдавани повече от очакваното количество свръхнови, като всички те били доста бледи, сякаш се намират много много далеч от Земята. Така, постепенно, у Хъбъл се заражда идеята, че Андромеда всъщност е една отделна галактика - непозната система съдържаща множество звезди, подобна на нашия Млечен път.

За времето си тази идея била меко казано предизвикателна.

Това би значело, че Вселената е поне два пъти по голяма, отколкото смятали учените. За приемането на такова твърдение от научното съсловие били нужни много солидни доказателства.

За да се сдобие с тях, Хъбъл трябвало да намери начин да изчисли разстоянието до Андромеда. Ако успеел да докаже, че то е по-голямо от диаметъра на Млечния път (изчислен към тогавашна дата на 300,000 светлинни години от Харлоу Шапли) останалите астрономи нямало да могат да оспорват теорията му.

Тук идва изключително важната роля на една жена астроном – Хенриета Леви. Тя била част от Харвардската обсерватория, като основната и задача била да подпомага астрономите, правейки математически изчисления (нещо като човешки компютър).

През 1908 г. тя работи върху определен тип звезди – цефеиди. Това са променливи звезди с регулярни трептения, т.е. промени в светимостта им - периодична промяна на блясъка им, като стават ту по-ярки, ту по-бледи. Леви открива, че има пряка връзка между периода на промяна на блясъка на тези звезди и тяхната яркост. С това си откритие, тя дава тласък на съвременните астрономически изследвания. Става възможно, измервайки периода на пулсация на дадена звезда, да се изчисли нейната абсолютна светимост (колко ярка би била звездата, ако се намира на разстояние 10 парсека от нас). Сравнявайки абсолютната светимост на звездата с това колко ярка я виждаме ние от Земята, астрономите могат с лекота да пресметнат на какво разстояние от нас се намира тя.

Именно откритието на тази зависимост дава възможност на Хъбъл да изчисли колко далеч от Земята, е разположена Андромеда. Той прави множество снимки на галактиката, търсейки цефеиди и през октомври 1923 г. успява да открие една, която по-късно става известна като “variable number one” , V1 или „най-важната звезда в историята на космологията“ (Снимка 2.1).

Снимка 2.1: Звездата (цефеида) V1, заснета с телескопа Хъбъл през 2010/2011 година. Вижда се ясно промяната в блясъка й. Източник: NASA

Използвайки зависимостта период – светимост, Хъбъл изчислява, че V1 и съответно Андромеда, се намират на около 900 000 светлинни години от Земята. Тази стойност била три пъти по-голяма от диаметъра на Млечния Път. Хъбъл продължил с наблюденията и след няколко месеца открил още една цефеида. Повторил изчисленията и те довели до същия резултат – Андромеда се намира извън Млечния Път, на почти един милион светлинни години от Земята. Това не било мъглявина, а отделна, непозната за нас галактика.

С това си откритие, през 1923 г., Едуин Хъбъл променя изначално разбиранията за размерите и състава на Вселената.

След като доказва съществуването на други галактики, освен Млечния път, Хъбъл започва да ги изучава подробно и създава първата морфологична класификационна схема на галактиките.

Според тази класификация, галактиките се делят на три основни групи, спрямо тяхната форма. Първата включва елиптичните галактики, допълнително класифицирани според степента им на сплеснатост. Те варират от Е0 до Е7, където Е0 е сферична галактика, а Е7 – най-силно сплеснатата.

Снимка 2.2: Камертонна диаграма на Хъбъл

Втората голяма група са така наречените спирални галактики. Те се делят на нормални и пресечени, отново спрямо тяхната форма (S и SB). Днес знаем, че Млечният Път е пресечена спирална галактика.

Третият вид са лещовидните галактики (тип S0). Те представляват връзката между другите два, защото притежават свойства както на елиптичните така и на нормалните спирални галактики.

Тази класификация, става известна като „камертонна диаграма на Хъбъл“ и се използва от астрономите и до днес.

Червеното отместване

Хъбъл наблюдава множество галактики и изчислява тяхното червено отместване -
важна характеристика, показваща в каква посока спрямо нас се движи наблюдаваният
обект.

Светлината достигаща до нас от всеки един наблюдаван обект е електромагнитна вълна. Като такава, тя има три основни характеристики – честота, период и дължина. 

Фигура 3.1: Характеристики на светлинната вълна

Времето, изминало между два максимума, се нарича период и се измерва в секунди.

Реципрочната стойност на периода се нарича честота на вълната и представлява броят на трептенията, които се извършват във вълната, за единица време.

Разстоянието между два съседни максимума (два гребена или два дола) на светлинната вълна се нарича дължина на вълната, т.е. минималното разстояние между две вълнови точки с еднаква фаза.

Всеки един от цветовете във видимия спектър на светлината има специфична дължина на вълната. Тя е най-малка при синия цвят и най-голяма при червения.

При така нареченото червено отместване се наблюдава разтягане на вълната, нейната дължина се увеличава и светлината, която достига до нас, при измерване със спектрометър се регистрира изместена - в по-червената част на спектъра. Обратното се наблюдава, когато обектът се движи към нас. Дължината на вълната се скъсява, а светлината, която достига до нас е изместена в по-синята част на спектъра. Това е така нареченото синьо отместване.

Наличието именно на червено отместване засича Хъбъл, при почти всички тогава познати ни галактики; и тъй като това е доплеров ефект, той прави извода, че наблюдаваните обекти се отдалечават от Земята. Това е неговото второ епохално откритие - Вселената не е статична, а постоянно се разширява!

Фигура 3.2: Червено и синьо отместване

Това разбиране се счита за факт и той е ключов в теорията за Големия Взрив.

Радиална скорост (ЛС)

Освен, че можем да разберем дали даден обект се отдалечава или приближава към нас, червеното отместване ни дава още нещо много ценно. Знаейки каква е неговата числова стойност, можем да изчислим така наречената радиална или лъчева скорост – скоростта, с която обект се приближала или отдалечава от Земята - използвайки прости формули.

Фигура 4.1: Зависимост между червено отместване и
радиална скорост: z – червено отместване; c – скорост на
светлината (≈300,000 км/с), v – радиална скорост.

Хъбъл прилага тези формули за новооткритите от него галактики и открива, че почти всички има червено отместване. Те се отдалечават от нас с разнообразни радиални скорости.

Закон на Хъбъл

Хъбъл емпирично установява наличието на пропорционална връзка между скоростта на отдалечаване на галактиките и разстоянието им до нас. Така през 1929 г. той формулира своя закон, според който, ако разширяването на Вселената е константа, то тази константа умножена по разстоянието на една галактика до нас, ще ни даде скоростта, с която тя се отдалечава от нас. Тази зависимост се изразява с формулата:

където ν е радиалната (лъчева) скорост (в km/s, измерена чрез червеното отместване), d е разстоянието до галактиката (в Mpc), а H0 е константата на Хъбъл (в km/s/Mpc).

След като радиалната скорост се увеличава с нарастване на разстоянието от Земята, то Н0, е числото, с което се увеличава ЛС за 1-ца време на всяка 1-ца разстояние, т.е. с колко километра в секунда нараства ЛС на всеки милион(мега) парсека – km/s/Mpc (1 Mpc = 3,26 милиона свет. години). Това всъщност е величината, измерваща разстоянието, с което се разширява Вселената спрямо Земята, в определен момент. 

H0 - Константата на Хъбъл 

Когато Хъбъл прави своите първоначални изчисления през 1929 г., той получава стойност за Н0 = 500 km/s/Mpc. Поради не добрата прецизност на използваните по него време инструменти се натрупват систематични грешки, които правят тази първоначална стойност в пъти по-голяма от сегашно установените. 

Снимка 6.1: Стъпки при определяне на константата на Хъбъл.
Източник: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU

Днес, за определяне на Н0 се използват два основни подхода: чрез измервания в сегашната Вселена - измервайки разстоянието до галактиките и други процеси/явления в настоящия момент, и на ранната Вселена - чрез изчисляване на промените настъпили в ранната вселена, посредством анализ на Космическия Микровълнов Фон (КМФ). КМФ е отзвук, своеобразен „шум“, останал от Големия взрив. Промените в него ни дават информация за процесите и състоянието на Вселената в нейния зародиш, преди 13 млрд. години. (Виж Снимка 6.2)

При първия подход, към момента се използват 7 различни техники, но най-разпространени през последните 30-тина години са наблюдението на цефеиди и свръхнови от Тип 1а (СН-1а), които имат еднаква светимост и за разлика от останалите видове свръхнови, се срещат във всички галактики. По вариациите в светимостта, използвайки закона на Ливит, се определя разстоянието до обектите и околните им галактики. Най-известен представител на този подход е проектът SH0ES (Supernova H0 for the Equation of State), който използва телескопа Хъбъл. 

Последните изчисления на SH0ES, при наблюдения на СН-1а (Ноем. 2020 г.) определят H0 = 74.03 ± 1.42 km/s//Mpc.

Друга техника, набираща сериозна популярност, е свързана с регулярните излъчвания на квазари - активни галактични ядра излъчващи огромно количество електромагнитни вълни във всички спектри, и по-специално нарастването на времето за регистриране на различните вълни.

Тази техника използва метода на гравитационни лещи, където гравитацията променяйки пространство-времето - променя пътя на светлината и съответно времето, необходимо да достигне до нас. Това е техниката използвана от международното обединение учени H0LiCOW (H0 Lenses in COSMOGRAIL’s (Cosmological Monitoring of Gravitational Lenses) Wellspring) последните данни от което определят H0 = 73.3 ± 1.7 km/s//Mpc. 

Снимка 6.3: Монтаж на снимки на 4 квазара наблюдавани от
проекта H0LICOW. От ляво на дясно:: B1608+656 (две
галактики размиват светлината от квазар по-отдалечен от
тях); HE0435-1223 (галактика пречупваща светлината от
по-далечен квазар, все са 4 отделни около нея); WFI2033-4723
(галактика пречупваща светлината от по-далечен квазар, все
едно са 4 квазара на различни места около нея); HE1104-1805
(галактика пречупваща светлината от по-далечен квазар, все
едно са 2 различни квазара около нея). Източник: NASA / ESA /
Hubble / S.H. Suyu et al.

Снимка 6.4: Илюстрация
на квазар Pōniuāʻena.
Източник: InternationalGeminiОbservatory
/NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld

А подобно изследване от Ноември 2020 на друга група учени претендиращи за  изчистване на методологията на изчисления, определят H0 = 78.3 ± 2.9 km/s//Mpc. Явно е, че различните техники и методи дават различни стойности, като средната при този подход е около 73 km/s//Mpc.

Снимка 6.5:Разпределение на вероятностите при 6
различни лещи при H0LICOW XIII. Източник: Martin
Millon/Vivien Bonvin

За разлика от първия подход, изчисленията при втория – използващ КМФ, са с по-малък диапазон на грешка и от там считани за по-точни. Основните замервания на КМФ са направени със сателита „Планк“ (2009—2013 г.) на Европейската Космическа Агенция (ЕКА). 

Последните изчисления (2018 г.) базирани на данни от него определят, че за да бъде Вселената такава каквато я виждаме днес, то H0 = 67.66 ± 0.42 km/s/Mpc. Различните методи на изчисление при този подход дават средна стойност около 67.4 km/s//Mpc.

Разликата може да изглежда малка, но методите при двата подхода са изключително прецизни и няма място за съмнения за неточности при всеки един от тях. Оттук възниква и въпросът – дали H0 наистина е константа, или има друг, непознат към момента източник на грешка?

Ако по-голямото число е вярно, то тогава всички разстояния, измерени от учените за далечни космически обекти, са грешни от десетилетия. Но ако второто е вярно, тогава трябва да се признае за съществуването на нова екзотична физика. Точното определяне на Н0 е една от основните трудности на астрофизиците, а за обяснението на различните резултати, може да се необходими нови теории за развитие на Вселената.

Снимка 6.6: Сателитът Планк. Източник: DB ESA
Anneke Le Floc'h/ picture-alliance/ dpa

С „две думи“:

Така през средата на ХХ в., Едиун Хъбъл своеобразно поставя началото на съвременната астрономия. Откритията и методите му са в основата на различните теории за еволюцията на Вселената; Чрез Константата на Хъбъл и постоянното търсене на нейната стойност научаваме повече за произхода и съдбата на нашето пространство-време. Така едно на пръв поглед обикновено „число“ може да промени драстично представите ни за Вселената, за състава, мащабите и динамиката на Космоса. 

За сега, за нея - Вселената, абсолютно ясно изглежда само едно – тя се разширява; „защо“, „от кога“, „до кога“ и „какво ще се случи след това“, са основните въпроси, части от чиито по-ясни отговори се крият в резултатите от различни научни изследвания и експерименти в областта на астрономията и астрофизиката.

Откритията на Хъбъл за пореден път ни показват, че във всеки един момент може да се открие нещо, което да преобърне разбиранията ни до този момент и за това не трябва да спираме да задаваме въпроси, бидейки отворени за отговори, които може и дори да не сме си представяли за възможни.

Автори:
2021 © Андрей Аврамов, Боян Велев, Деница Петрова, Маргарита Петрова -
Магистри Астрономия и Популяризация на Астрономията, Катедра
Астрономия при СУ „Св. Климент Охридски“.


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Космология
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.