Hubblov–Lemaîtrejev zakon: definicija, Hubblova konstanta in širjenje vesolja

Hubblov zakon ali Hubblov-Lemaîtrejev zakon je ime za opažanje, da:

1. Vsi objekti, ki jih opazujemo v globokem vesolju, imajo dopplerjev premik - izmerjeno hitrost glede na Zemljo in drug na drugega;
2. Hitrost galaksij, ki se oddaljujejo od Zemlje, izmerjena z dopplerjevim premikom, je sorazmerna z njihovo oddaljenostjo od Zemlje in vseh drugih medzvezdnih teles.

Definicija in pomen

Dejansko se prostor-čas opazovanega vesolja širi, Hubblov zakon pa je neposredna fizikalna ugotovitev tega. Na podlagi tega zakona verjamemo v širjenje vesolja in ga pogosto navajamo v podporo modelu velikega poka. Zakon ponazarja, da se razdalje med oddaljenimi galaksijami povečujejo, ker se sam prostor širi, ne pa nujno zato, ker se galaksije "premikajo" skozi prostor kot projektili.

Matematična oblika in Hubblova konstanta

Zakon je pogosto izražen z enačbo v = H0D, pri čemer je H0 konstanta sorazmernosti (Hubblova konstanta) med "pravo razdaljo" D do galaksije in njeno hitrostjo v (glej Uporabe prave razdalje). H0 se običajno navaja v (km/s)/Mpc, kar pomeni hitrost v km/s galaksije, oddaljene 1 megaparsek (3,09×10^19 km). Vratna vrednost H0 je Hubblov čas, ki da približen časovni razmerje za starost vesolja: 1/H0 ~ starost vesolja (v preprostem približku).

Pomembno je razumeti, da je linearna zveza v = H0D dober približek le za majhne rdeče premike (nizke razdalje). Pri velikih rdečih premikih (velikih razdaljah) je treba za svinčene izračune uporabiti polno teorijo relativističnega širjenja (odvisno od zgodovine hitrosti širjenja, gostote snovi, temne snovi in temne energije) in merjenje luminosnostnih ali kotnih razdalj.

Zgodovina odkritja

Čeprav ga mnogi pripisujejo Edwinu Hubblu, je zakon prvič izpeljal Georges Lemaître v članku iz leta 1927 iz enačb splošne relativnosti. V njem je predlagal, da se vesolje širi, in predlagal vrednost za hitrost širjenja, ki se zdaj imenuje Hubblova konstanta. Dve leti pozneje je Edwin Hubble potrdil obstoj tega zakona in določil natančnejšo vrednost konstante, ki zdaj nosi njegovo ime. Hitrost recesije objektov je bila izpeljana iz njihovih rdečih premikov, ki jih je pred tem izmeril Vesto Slipher leta 1917 in jih povezal s hitrostjo.

Meritve Hubblove konstante in trenutno stanje

Nekatere metode za merjenje H0 vključujejo klasični "razdaljni lestev" (Cepheidne spremenljivke, supernove tipa Ia), geometrijske metode (megamaserji v galaksijskih jeder), časovne zakasnitve močnega gravitacijskega lečenja, meritve BAO (baryon acoustic oscillations) in analizo mikrovalovnega ozadja (CMB). Vsaka metoda ima svoje sistematične napake, zato primerjava več pristopov povečuje zaupanje v rezultat ali razkrije neskladja.

Nedavna ocena Hubblove konstante iz leta 2011, pri kateri je bila z novo infrardečo kamero na Hubblovem vesoljskem teleskopu (HST) izmerjena razdalja in rdeči premik za vrsto astronomskih objektov, je pokazala vrednost H0 = 73,8 ± 2,4 (km/s)/Mpc. Alternativni pristop z uporabo podatkov iz galaktičnih kopic je dal vrednost H0 = 67,0 ± 3,2 (km/s)/Mpc.

Uporabljene so bile tudi številne druge metode, ki so dale vrednosti med 70 in 72 (km/s)/Mpc. Nedavna (2016) metoda, ki uporablja najstarejšo svetlobo v vesolju, kaže, da je bila vrednost Hubblove konstante kmalu po začetku širjenja 66,53 km/s na megaparsek. To pomeni, da se je hitrost širjenja povečevala.

Dodatno dopolnilo (posodobitev): kasnejše meritve so pokazale vztrajajoče neskladje med "lokalnimi" meritvami, ki temeljijo na razdaljni lestvi (npr. program SH0ES, ki je v zadnjih letih poročal vrednosti približno 73 km/s/Mpc z majhnimi napakami), in meritvami, ki temeljijo na analizi CMB (npr. rezultat iz satelita Planck, približno 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc). To neskladje, pogosto imenovano "problema Hubblove konstante", je trenutno ena izmed glavnih odprtih vprašanj v kozmični fiziki, saj presega pričakovane statistične negotovosti in nakazuje bodisi neodkrito sistematično napako v meritvah bodisi možen nov fizikalni okvir zunaj standardnega kozmološkega modela.

Pomembne opombe in pravilna interpretacija

• Recesijska hitrost ni običajna hitrost v prostoru: pri velikih razdaljah je "hitrost" posledica širjenja samega prostora. To ni vedno klasični Dopplerjev premik; rdeči premik v kozmologiji vključuje tudi učinkovito raztegovanje valovnih dolžin zaradi širjenja vesolja.
• Peculiarne hitrosti: pri majhnih razdaljah lahko lokalne gibanja (galaksije, ki se približujejo ali medsebojno krožijo) prekrivajo kozmološko recesijo; zato je linearni zakon najčisteje opazen pri velikih razdaljah, kjer "peculiar" hitrosti predstavljajo majhen delež.
• Časovna spremenljivost: Hubblov parameter je funkcija časa, H(t), in H0 označuje njegovo trenutno (danes) vrednost. V preteklosti in prihodnosti se je/h bo H spreminjal glede na energijsko sestavo vesolja (snov, temna snov, temna energija).
• Vpliv na starost vesolja: obrnitev vrednosti H0 daje približno časovno lestvico za starost vesolja: za H0 ≈ 70 (km/s)/Mpc dobimo red velikosti 14 milijard let, vendar natančna starost zahteva upoštevanje vsebine vesolja (temna energija, snov itd.).

Hubblov–Lemaîtrejev zakon ostaja temeljna opazovalna podlaga sodobne kozmologije in ključen most med opazovanji (rdeči premiki, razdalje) in teorijo širjenja vesolja. Razrešitev trenutnih neskladij pri merjenju H0 bo pomembno vplivala na naše razumevanje zgodovine in sestave vesolja.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je Hubblov zakon?

V: Kdo je prvi izpeljal ta zakon?

V: Kdo je potrdil njegov obstoj?

V: Kako so izmerili hitrost recesije?

V: Katera enačba izraža ta zakon?

V: V kakšni enoti je običajno H0?

Išči po črki