Legea lui Hubble

În 1929 Edwin Hubble a descoperit că Universul este în expansiune – toate galaxiile se îndepărtează unele de altele – lucru observat sub forma unei deplasări spre roșu a spectrului galaxiilor. Deplasarea spre roșu este mai mare pentru acele galaxii mai slabe în strălucire i.e. mai îndepărtate me noi.

Astăzi știm că majoritatea galaxiilor (în afară de cele din apropiere) se îndepărtează de noi cu o viteză ce poartă numele de „viteză de recesiune”. Aceasta este determinată de deplasarea lor spre roșu.

Legea lui Hubble este o relație liniară între distanța către o galaxie și viteza sa de recesiune:

v = H0d

unde „v” este viteza de recesiune în km s-1, „H0” este constanta lui Hubble în km s-1 Mpc-1, iar „d” este distanța către respectiva galaxie în Mpc.

De-a lungul timpului, au existat multe încercări de a măsura cu exactitate constanta lui Hubble ce dă rata cu care Universul se extinde. Cea mai bună estimare a acesteia, acceptată în mare în zilele noastre, este H0 = 72 ± 8 km/s/Mpc. Pentru a se ajunge la această valoare au fost studiate supernove de tip Ia și stele cefeide variabile surprinse de TSH.

hubbles_law

Legea lui Hubble – viteza de recesiune vs. distanță © Cornell

Majoritatea galaxiilor urmează o expansiune omogenă. Totuși, cele mai distante galaxii se îndepărtează mult mai rapid de noi, fiind într-o expansiune accelerată. Astfel, la distanțe mari, legea lui Hubble nu este în totalitate linară.

Anunțuri

Spectrul Electromagnetic

Obiectele reci emit fotoni cu mai puţină energie şi sunt vizibile la lungimi de undă mai mari. Fotonii sunt mai puternici către capătul de raze gamma al spectrului.

Obiectele extrem de fierbinţi (ca şi roiurile de galaxii) emit raze X cu energie mare şi raze gamma, care mai pot fi produse doar de evenimentele violente, cum ar fi înghiţirea materiei în găurile negre.

Radiaţiile cu lungimi de undă între 1 cm şi 11 m trec uşor prin atmosfera Pământului. Această parte a spectrului include unele unde radio şi unele microunde, şi se numeşte „fereastră radio”.

Undele radio sunt produse de norii de H₂  din galaxii sau de radiaţia de tip sincroton produsă de galaxiile active şi de găurile negre. Ele pot avea o lungime de undă de peste 1 m. Very Large Array sunt observatoare radio situate în New Mexico.

Mai jos, poate fi văzută harta galaxiei Andromeda, în unde radio.

Microundele pot fi observate numai din Spaţiu (cu sonda spaţială Wilkinson Microwave Anisotropy Probe – aflată în imagine).

Cu ajutorul acestei sonde este analizată radiaţia cosmică de fond din domeniul microundelor.

Infraroşiile sunt studiate de telescoape aflate în Spaţiu (Spitzer al NASA) şi obsevatoare plasate pe vârfurile munţilor, ca cel din imagine – UKIRT – din Hawaii, aparţinând Regatului Unit.

Prin intermediul infraroşiilor sunt obsevate galaxii palide, pitice maro, nebuloase şi molecule stelare care strălucesc în această lungime de undă.

În imaginea următoare este prezentat centrul galactic în infraroşu.

Ultravioletele, cercetate cu Extreme Ultraviolet Explorer, aparţinând NASA au lungimi de undă foarte mici.

Aceste radiaţii sunt emise de surse fierbinţi – pitice albe, stele neutronice şi galaxii Seyfert.

Lumina vizibila este observată cu telescoape optice ca şi cel din imagine – Kitt Peak National Observatory din Arizona. Cu aceste telescoape se obţin cele mai clare imagini, cu puterea cea mai mare.

M90,  situată la 30 de milioane ani-lumină de Terra, este o galaxie cu o dimensiune similară cu galaxia noastră, Calea Lactee.

Razele X, studiate cu observatoare precum cel din imagine – Chandra X-ray Observatory, au o energie foarte mare. Sursele de raze X sunt găurile negre şi stelele neutronice.

Razele Gamma sunt undele electromagnetice cu cea mai mare energie, emise în urma celor mai violente evenimente cosmice. Sursele acestor radiaţii sunt stelele neutronice, supernovele şi pulsarii. În imaginea alăturată este Calea Lactee văzută ca o bandă strălucitoare, în raze gamma, şi celelalte producătoare de această radiaţie.

Imaginile mai multor radiaţii ale unei stele invizibile pot fi combinate pentru a reda o imagine a stelei. Un exemplu este supernova Kepler. În raze X cu lungime de undă mică (energie mare), supernova are culoare albastră, iar, în raze  X cu energie mică (lungime de undă mare), supernova are culoarea verde. De asemenea, imaginea din infraroşu are o culoare roşie. Astfel s-a obţinut imaginea finală.

Analizând lumina

Radiaţia emisă de obiectele cosmice este un amestec de lungimi de undă, printre care şi lumina vizibilă. Când trece printr-o prismă, lumina se descompune în lungimile de undă componente, formând o succesiune de culori, numită spectru.

Spectrul unei stele este format din linii de absorţie, care au o culoare închisă şi sunt provocate de absorţia fotonilor la anumite lungimi de undă,  de către atomii din atmosfera stelei. Acestea sunt folosite pentru a determina elementele chimice dintr-un  obiect cosmic.

Spectrul unei nebuloase poate dezvălui compoziţia ei chimică. Când sunt încălziţi de radiaţia emisă de o stea din apropiere, atomii nebuloasei emit lumină proprie. Spectrul care rezultă se numeşte spectru de emisie, format din linii viu colorate, caracteristice unor elemente diferite.

Un gaz dens şi fierbinte dintr-o stea produce un spectru de lumină continuu la suprafaţa ei, în care sunt reprezentate toate lungimile de undă, văzute oblic ca nişte linii, numite linii spectrale. Un gaz rece dintr-o stea produce apariţia unor linii de culoare închisă.

În fotografie, este reprezentat spectrul de emisie al fiereului (Fe).

Lungimi de undă şi expansiunea Universului

Să ne imaginăm o stea. Mişcarea particulelor încărcare electric ale stelei creează un câmp electromagnetic, care are două componente, oscilante şi perpendiculare una pe cealaltă: componenta electrică şi componenta magnetică. Distanţa dintre două puncte maxime succesive ale undelor electromagnetice sub forma cărora se transmite energia electromagnetică se numeşte lungime de undă. Spectrul electromagnetic, care include radiaţia electromagnetică de toate lungimile de undă posibile este energie pură şi include spectrul vizibil, radiaţia elecromagnetică pe care noi o numim lumină, pentru că interacţionează cu obiectele din jurul nostru şi este recepţionată şi interpretată de sistemul vizual sub formă de culori.

Când trece printr-o prismă, lumina se descompune în lungimile de undă componente, fapt ce pentru ochiul uman înseamnă o succesiune de culori, spectrul vizibil. Dacă gazul din care este formată steaua este fierbinte, steaua produce un spectru de lumină continuu de la suprafaţa ei, în care este reprezentată o largă gamă de lungimi de undă (culorile), văzute oblic, ca nişte linii, numite liniile spectrale . Dar, în cazul în care gazul stelei este mai rece, în spectru apar linii de culoare închisă.

Din cauza faptului că obiectele cosmice sunt în continuă mişcare, noi le putem  detecta deplasările măsurând poziţia liniilor spectrale. Dacă liniile spectrale ale stelei noastre indică lungimi de undă mai mari, observându-se o deplasare spre roşu, atunci steaua se îndepărtează de noi. În caz contrar, dacă liniile ei spectrale indică lungimi de undă mai mici, observându-se o deplasare către albastru, atunci steua se apropie de noi.

Astronomii au observat că deplasarea se măreşte odată ce viteza dintre sursă şi observator creşte. Deoarece galaxiile îndepărtate prezintă deplasări considerabile  spre roşu, ele se îndepărtează cu viteze uriaşe, numite deplasări cosmologice către roşu. Lumina obiectelor îndepărtate este cu atât mai slabă, cu cât deplasarea lor  cosmologică spre roşu este mai mare.

Aspectele prezentate în paragrafele anterioare duc la concluzia că Universul se află în expansiune, căci majoritatea galaxiilor par a se depărta rapid de galaxia noastră. În 1929, Edwin Hubble a demonstrat definitiv acest lucru, descoperind că viteza de recesiune creşte odată  cu distanţa de la Pământ la sursă, conform legii lui Hubble –    (D este distanţa dintre galaxie şi observator, măsurată în megaparseci, H₀ este constanta lui Hubble). Această descoperire a schimbat fundamental discuţia despre începutul Universului, căci dacă mişcarea de expansiune a Universului este dintodeauna, atunci rezultă pe care de consecinţă că a existat un moment iniţial al expansiunii, când tot ce există era într-un sigur loc, denumit de fizicieni singularitate.