Ορισμός του νόμου του Hubble, Τύπος, Παράδειγμα, Redshift

Το άρθρο PNAS του Edwin Hubble το 1929, ένα από τα πιο γνωστά εμβληματικά έγγραφα στην ιστορία της επιστήμης, παρατήρησε τη σχέση μεταξύ απόστασης και ταχύτητας (ταχύτητα) των γαλαξιών. Ο νόμος Hubble αποκάλυψε την έννοια ενός ατελείωτου σύμπαντος και άλλαξε θεμελιωδώς τις αντιλήψεις μας για το σύμπαν. Ξεκίνησε τη μελέτη της παρατηρητικής κοσμολογίας, η οποία έδειξε ένα εκπληκτικά μεγάλο σύμπαν που αναπτύσσεται και αλλάζει για 14 δισεκατομμύρια χρόνια και αποτελείται από πολλούς γαλαξίες, σκοτεινή ύλη και κοσμικά κύματα.

Ο νόμος του Hubble και το διαστελλόμενο σύμπαν

Είναι αδύνατο να κατανοήσουμε ότι δεν είχαμε ιδέα για την ύπαρξη της πλειοψηφίας του κόσμου γύρω μας μόλις πριν από 90 χρόνια. Από την τρέχουσα σκοπιά μας, η ύπαρξη ενός τεράστιου διαστελλόμενου σύμπαντος, που αποτελείται από δισεκατομμύρια γαλαξίες που απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο καθώς το κοσμικό διάστημα διαστέλλεται από μια αρχική «Μεγάλη Έκρηξη» πριν από αρκετά δισεκατομμύρια χρόνια, φαίνεται τόσο προφανής που υποθέτουμε πρέπει να ήταν γνωστό εδώ και χρόνια. Οχι τόσο. Οι γνώσεις μας για το σύμπαν έγιναν μάρτυρες μιας τεράστιας αλλαγής λόγω του πρωτοποριακού εγγράφου PNAS του Edwin Hubble του 1929, «Μια συσχέτιση μεταξύ της απόστασης και της γωνιακής ταχύτητας μεταξύ των εξωγαλαξιακών νεφελωμάτων».

Ο νόμος Hubble και το διαστελλόμενο σύμπαν ήταν μια από τις μεγαλύτερες ανακαλύψεις της επιστήμης και το Hubble παρείχε παρατηρητικές αποδείξεις. Όπως αποδείχθηκε από το Hubble, οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς με ταχύτητα (ταχύτητα) που σχετίζεται άμεσα με την απόστασή τους από εμάς. Έτσι, πιο απομακρυσμένοι γαλαξίες απομακρύνονται από τη Γη με ταχύτερο ρυθμό από τους κοντινούς γαλαξίες.

Το εμβληματικό γράφημα του Hubble για την εκτιμώμενη ταχύτητα έναντι της απόστασης για γειτονικούς γαλαξίες έχει γίνει επιστημονικό σημείο αναφοράς στα εγχειρίδια αστρονομίας. Μια γραμμική σχέση μεταξύ της γαλαξιακής ταχύτητας (v) και της απόστασης (d) φαίνεται στο παρακάτω γράφημα.

Τύπος νόμου του Hubble

Ο τύπος του νόμου Hubble της κοσμικής διαστολής μπορεί να δηλωθεί ως εξής:

v =Ho × d

Πού,

Ho =σταθερά Hubble (υπολογισμένη σε km/s/Mpc)

v =η ταχύτητα του γαλαξία (υπολογισμένη σε km/s)

d =απόσταση του γαλαξία (υπολογισμένη σε Mpc)

Παραδείγματα τύπου του νόμου του Hubble

Παράδειγμα: Προσδιορίστε την ταχύτητα του γαλαξία NGC 55 εάν απέχει δύο megaparsec από τη Γη.

Αρχικά, πρέπει να υπολογίσουμε την απόσταση, η οποία απαιτεί τη μετατροπή από parsecs σε χιλιόμετρα. Parsec είναι η απόσταση που διανύει το φως σε 3,26 έτη φωτός. Εάν η απόσταση που διανύει το φως στο κενό σε ένα δευτερόλεπτο είναι 300.000.000 m, πρέπει να πολλαπλασιάσουμε την απόσταση με τον αριθμό των δευτερολέπτων σε ένα έτος, που είναι 31.556.926 δευτερόλεπτα, και στη συνέχεια να πολλαπλασιάσουμε με 3,26.

ετήσια διανυθείσα απόσταση φωτός =31.556.926 (3 x 108) =9,4671 x 1015 m

Απόσταση Parsec =3,086 x 1016 m

Επειδή ο γαλαξίας NGC 55 απέχει δύο megaparsec, πρέπει να πολλαπλασιάσουμε την απόσταση parsec ανά parsec στο NGC 55.

NGC 55 (απόσταση) =2 x 106 (3,086 x 1016) =6,17 x 1022 m

Μπορούμε τώρα να συνδέσουμε αυτά τα δεδομένα στην εξίσωση του νόμου του Hubble για να υπολογίσουμε την ταχύτητα του γαλαξία. Ωστόσο, η σταθερά Hubble πρέπει πρώτα να μετατραπεί σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο ανά μέτρο.

Και τώρα εφαρμόζουμε τον νόμο του Hubble:

V =1,476 x 1011 m/s

Παράδειγμα: Η ταχύτητα ορισμένων συστάδων μετράται ως v =103 km/s. Πόσο μακριά είναι η απόσταση; Ας υποθέσουμε ότι Ho =60km/s/Mpc.

Λύση:

Γνωρίζουμε ότι v =103 km/s.

60 km/s/Mpc =Ho

Ο τύπος είναι ο εξής:

d =v/Ho

=(103 km/s/60 km/s/Mpc)

=16,7 Mpc

Περίγραμμα της σταθεράς Hubble

Η σταθερά Hubble είναι η μονάδα μέτρησης που περιγράφει πόσο γρήγορα διαστέλλεται το σύμπαν. Τα 160 km/s είναι η σταθερά H του Hubble για ένα εκατομμύριο έτη φωτός.

Ο παραπάνω τύπος εξηγεί καλύτερα την έννοια του νόμου του Hubble. Υποδηλώνει ότι το σύμπαν διαστέλλεται πάντα και ότι οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο με σταθερή ταχύτητα ανά μονάδα απόστασης, όπως οι ημερομηνίες σε ένα διαστελλόμενο κέικ χουρμάδων που φουσκώνουν σε μέγεθος. Ως αποτέλεσμα, τα μακρινά αντικείμενα μετακινούνται πιο γρήγορα από τα κοντινά.

Η παρατήρηση του νόμου του Hubble μπορεί να εκφραστεί ως εξής:

Ο νόμος Hubble απλοποιήθηκε:Η ταχύτητα του γαλαξία, που συνήθως αναφέρεται ως μετατόπιση στο κόκκινο, σχετίζεται άμεσα με την απόστασή του.

Η φυσική κοσμολογία μελετά Ο νόμος του Hubble αναφέρεται μερικές φορές ως νόμος Hubble-Lemaitre. Ο νόμος του Hubble είναι ο μόνος μηχανισμός που επιτρέπει στον κόσμο να αναπτυχθεί και να πραγματοποιήσει την κοσμολογική αρχή.

Προέλευση της θεωρίας του νόμου του Hubble

Η εξαιρετική σχέση παρατήρησης του Hubble ανακαλύφθηκε χρησιμοποιώντας 24 γειτονικούς γαλαξίες για τους οποίους ήταν προσβάσιμες τόσο οι μετρούμενες ταχύτητες όσο και οι αποστάσεις. Οι περισσότερες από τις ταχύτητες προήλθαν από πρωτοποριακές φασματοσκοπικές μελέτες μετατόπισης Doppler από τον διάσημο αστρονόμο Vesto Melvin Slipher.

Το Hubble προσδιόρισε τις αποστάσεις από αυτούς τους γαλαξίες με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι ήταν προηγουμένως δυνατή, οι οποίες προηγουμένως είχαν εκτιμηθεί μόνο ανακριβώς, με βάση την ορατή φωτεινότητα των αστεριών τους και, για τους τέσσερις πιο απομακρυσμένους γαλαξίες στην έρευνα, που βρίσκονται όλοι στην Παρθένο σμήνος και έχουν ταχύτητες ύφεσης περίπου 1.000 km/s το καθένα, με βάση την ουράνια φωτεινότητά τους.

Αυτή η τεχνική συγκρίνει τη γνωστή εγγενή φωτεινότητα των αστεριών (ή των γαλαξιών)—γνωστή από συγκρίσιμα, καλά βαθμονομημένα γύρω αντικείμενα με την παρατηρούμενη ορατή φωτεινότητα για τον προσδιορισμό της απόστασης από κάθε οντότητα. Το πράγμα φαίνεται πιο θαμπό όταν τοποθετηθεί σε απόσταση. Οι εκτιμήσεις της απόστασης του Hubble ήταν αρκετά ακριβείς για τη διάκριση μεταξύ κοντινών και μακρινών γαλαξιών, επιτρέποντας στους ερευνητές να βρουν αυτήν την εκπληκτική γραμμική σχέση.

Εκτός από την εμφάνιση καθενός από τους 24 γαλαξίες ξεχωριστά στον χάρτη, το Hubble τους χώρισε επίσης σε εννέα ομάδες ανάλογα με το πόσο κοντά ήταν ο ένας στον άλλο σε απόσταση και κατεύθυνση. Ήταν μια αποτελεσματική τεχνική για τη μείωση της σημαντικής διασποράς.

Το Hubble χρησιμοποίησε επίσης 22 ακόμη γαλαξίες με γνωστές ταχύτητες (από μετρήσεις Slipher) αλλά όχι μεμονωμένα καθορισμένες αποστάσεις. Το Hubble χρησιμοποίησε τις ταχύτητες των 22 γαλαξιών για να υπολογίσει τη μέση απόστασή τους από τη μέση παρατηρούμενη φωτεινότητά τους. Αυτός ο μέσος αριθμός είναι καλά συγκρίσιμος με τις υπόλοιπες πληροφορίες.

Ενδιαφέροντα στοιχεία:

Πριν από τις ανακαλύψεις του Hubble, πολλοί επιστήμονες και μαθηματικοί είχαν αναπτύξει μια συνεπή εξήγηση της σχέσης μεταξύ χώρου και χρόνου εφαρμόζοντας την εξίσωση πεδίου του Αϊνστάιν της θεωρίας της σχετικότητας.

Όταν δημοσιοποιήθηκαν οι ανακαλύψεις του Χαμπλ, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν εγκατέλειψε την κοσμολογική σταθερά που είχε αναπτύξει για να επιτρέψει μια στατική λύση στους υπολογισμούς του. Επειδή η πίστη του σε ένα στατικό σύμπαν τον εμπόδιζε να προβλέψει τον επεκτεινόμενο κόσμο, αργότερα αναφέρθηκε στο έργο του ως το «μεγαλύτερο λάθος». Το 1931, ο Αϊνστάιν έκανε ένα γνωστό προσκύνημα στο όρος Wilson για να εκφράσει την ευγνωμοσύνη του στο Hubble που έθεσε τα εμπειρικά θεμέλια για τη σύγχρονη κοσμολογία.

Τι είναι το Redshift του νόμου Hubble;

Το Redshift και ο νόμος Hubble είναι σημαντικά θέματα για τους αστρονόμους. Η φράση σημαίνει ότι? όταν το μήκος κύματος του φωτός εκτείνεται, το φως γίνεται αντιληπτό ότι έχει «μετατοπιστεί» προς το κόκκινο τμήμα του φάσματος.

Δεδομένου ότι το φως έχει ιδιότητες που μοιάζουν με κύμα, θα μετατοπιστεί συγκρίσιμα με το Doppler εάν η πηγή κινηθεί σχετικά με εμάς. Γνωρίζουμε ότι οι περισσότεροι άλλοι γαλαξίες περιστρέφονται μακριά από εμάς από το 1929 όταν ο Edwin Hubble παρατήρησε ότι το σύμπαν διαστέλλεται. Το φως από όλους αυτούς τους γαλαξίες είναι «μετατόπιση κόκκινου» ή μετατοπίζεται σε εκτεταμένα (και επομένως πιο κόκκινα) μήκη κύματος.

Δεν βλέπουμε αυτή τη μετατόπιση προς το κόκκινο στην καθημερινή μας ζωή, καθώς το φως κινείται γρήγορα σε σύγκριση με άλλα πράγματα (ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα από τον ήχο).

Η μετατόπιση του αντικειμένου στο ερυθρό του νόμου Hubble μπορεί να προσδιοριστεί γρήγορα αντιπαραβάλλοντας τα φάσματα μακρινών γαλαξιών ή ουράνιων αντικειμένων με ένα τυπικό εργαστηριακό φάσμα. Οι γραμμές ατομικής εκκένωσης και απορρόφησης μπορούν να παρατηρηθούν σε γνωστά μήκη κύματος. Οι αστρονόμοι μπορούν να υπολογίσουν τη μετατόπιση προς το κόκκινο των πηγών που υποχωρούν παρακολουθώντας τις θέσεις αυτών των γραμμών σε αστρονομικά φάσματα.

Οι μετατοπίσεις στο κόκκινο που παρατηρούνται σε μακρινά αντικείμενα προκαλούνται λιγότερο από το φαινόμενο Doppler και περισσότερο από τη διαστολή του σύμπαντος.

Σημασία του νόμου του Hubble

Ακολουθούν μερικές γρήγορες εισαγωγές στις ευρείας κλίμακας χρήσεις της ανακάλυψης του Hubble.

Η σημασία του νόμου του Hubble έγκειται στο γεγονός ότι επέτρεψε την πρωτοποριακή έρευνα σε διάφορα θέματα, όπως η εξέλιξη και τα χαρακτηριστικά των γαλαξιών και των ουράνιων αντικειμένων, η διαστολή του σύμπαντος στο σύνολό του και η φύση του σύμπαντος. Επιπλέον, οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν το νόμο του Hubble για να εκτελέσουν το βασικό καθήκον του προσδιορισμού των αποστάσεων του Hubble από τους γαλαξίες και τα ουράνια αντικείμενα.

Οι αποστάσεις του Hubble μπορούν να προκύψουν από το νόμο του Hubble χρησιμοποιώντας την εκτιμώμενη ταχύτητα του αντικειμένου ή του γαλαξία. Αυτές οι αποστάσεις περιλαμβάνουν επίσης μια μικρή ειδική συνιστώσα κίνησης και είναι τυπικές της πραγματικής κοσμικής απόστασης. Αυτές οι αποστάσεις, επομένως, καθιστούν δυνατή τη χρήση των παρατηρούμενων ταχυτήτων μετατόπισης ερυθρών πολλών ουράνιων αντικειμένων και γαλαξιών που προέκυψαν από εκτεταμένες έρευνες μετατόπισης ερυθρών γαλαξιών για τον προσδιορισμό της τρισδιάστατης θέσης και κατανομής αυτών των αντικειμένων.

Αυτές οι μελέτες ανακάλυψαν εντυπωσιακή συνδεσιμότητα μεταξύ του τεράστιου δικτύου γαλαξιών, κενών και νημάτων. Επιπλέον, οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν τακτικά αποστάσεις Hubble για να υπολογίσουν τις αποστάσεις των γαλαξιών από τις (σχετικά) απλές φασματοσκοπικές μετρήσεις μετατόπισής τους στο ερυθρό.

Ο προσδιορισμός αυτών των αποστάσεων είναι υπεύθυνος για τον εντοπισμό της διαστολής των γαλαξιών και των ουράνιων αντικειμένων από το πρώιμο σύμπαν. Η ακριβής μέτρηση της σταθεράς Hubble καθιστά επίσης δυνατό τον ακριβή υπολογισμό της ηλικίας του σύμπαντος. Αυτή η ηλικία αντιστοιχεί καλά στα παλαιότερα αστέρια (ουράνια αντικείμενα).

Περιορισμοί του νόμου του Hubble

Μετά τη μέτρηση της ταχύτητας ύφεσης, οι ειδικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν την εξίσωση του Hubble για να υπολογίσουν την απόσταση των γαλαξιών από τη Γη όταν το ανιχνευμένο φως μετατοπίζεται στην περιοχή μετατόπισης προς το ερυθρό του φάσματος. Ακολουθούν ορισμένοι από τους περιορισμούς του νόμου του Hubble που δημιουργούν μια σειρά προβλημάτων:

Η παρατηρούμενη ταχύτητα επηρεάζεται λόγω της εγγενούς κίνησης των γαλαξιών.
Λόγω βαρυτικών κινήσεων, ο γαλαξίας βρίσκεται σε τροχιά.

Συμπέρασμα

Ο νόμος Hubble είναι η εξερεύνηση στην κοσμολογία της Μεγάλης Έκρηξης ότι η ταχύτητα με την οποία οι γαλαξίες ταξιδεύουν μακριά από τη Γη σχετίζεται άμεσα με την απόστασή τους. Έτσι, εάν ένας γαλαξίας βρίσκεται σε απόσταση από τη Γη, θα ταξίδευε με μεγαλύτερη ταχύτητα μακριά από εμάς. Επιπλέον, η μετατόπιση των γαλαξιών στο ερυθρό - μια μετατόπιση του φωτός που ανακλάται προς το κόκκινο άκρο του φάσματος - χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των ταχυτήτων τους.

Συχνές ερωτήσεις

1. Τι σημαίνει η σταθερά Hubble;

Απ. Σύμφωνα με τους ειδικούς, η σταθερά Hubble είναι η μονάδα μέτρησης που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τη διαστολή του σύμπαντος. Επιπλέον, η σταθερά H του Hubble είναι 160 km/s ανά εκατομμύριο έτη φωτός.

2. Περιγράψτε την αρχή της μετατόπισης του νόμου Hubble.

Απ. Η μετατόπιση στο κόκκινο του Hubble είναι μια φράση που χρησιμοποιείται για να περιγράψει το φαινόμενο κατά το οποίο η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προκαλεί αύξηση του μήκους κύματος ενός αντικειμένου. Το Blueshift είναι επίσης το αντίθετο της μετατόπισης προς το κόκκινο όταν τα επίπεδα ενέργειας αυξάνονται λόγω μικρότερων μηκών κύματος και αναφέρεται ως αρνητική μετατόπιση προς το κόκκινο. Τα ακόλουθα είναι τα κύρια αίτια της μετατόπισης του νόμου του Hubble στο κόκκινο:

Το φαινόμενο Doppler είναι η κίνηση των αντικειμένων στο χώρο, είτε προς ή μακριά το ένα από το άλλο.
Το ισχυρό βαρυτικό πεδίο που υπάρχει στο σύμπαν είναι υπεύθυνο για τη βαρυτική ερυθρή μετατόπιση.
Η κοσμολογική μετατόπιση προς το κόκκινο είναι μια αύξηση του χώρου που προκαλεί το διαχωρισμό των αντικειμένων το ένα από το άλλο χωρίς να αλλάζει η θέση τους.

3. Περιγράψτε το νόμο Hubble.

Απ. Μια κοσμολογική αρχή λέει ότι η ταχύτητα με την οποία τα ουράνια αντικείμενα διαχωρίζονται στο σύμπαν είναι ανάλογη με την απόστασή τους το ένα από το άλλο.