Legea lui Hubble

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În astronomie și cosmologie , legea lui Hubble (sau legea lui Hubble-Lemaître ) [1] afirmă că există o relație liniară între deplasarea spre roșu a luminii emise de galaxii și distanța lor. Cu cât distanța galaxiei este mai mare, cu atât este mai mare schimbarea roșie. În formă matematică, legea lui Hubble poate fi exprimată ca

unde z este deplasarea la roșu măsurată a galaxiei, D este distanța sa, c este viteza luminii și H 0 este constanta Hubble , a cărei valoare estimată în prezent este de aproximativ 2.176 × 10 −18 Hz ( 67,15 km / s / Mpc ).

Istorie

În 2018, Uniunea Astronomică Internațională , prin vot intern, a stabilit co-atribuirea legii și lui Georges Lemaître [1] .

Legea empirică a lui Hubble este o confirmare observațională importantă a soluției ecuațiilor lui Albert Einstein . Este valabil pentru un univers izotrop omogen și în expansiune; sub aceste ipoteze Georges Lemaître [2] dedusese și măsurase în 1927 o lege strict liniară, care afirmă că viteza de recesiune v este direct proporțională cu distanța D (cu cât este mai mare distanța dintre două galaxii și cu atât este mai mare viteza lor de retragere reciprocă), care poate fi exprimat matematic ca:

Această relație teoretică coincide cu legea empirică anterioară dacă deplasarea spre roșu z este direct proporțională cu viteza de recesiune v , adică z = v / c . Legătura dintre v și z este liniară numai pentru z mult mai mică decât 1 (deci este, fără îndoială, adevărat pentru deplasările la roșu foarte mici observate în timpurile lui Hubble și Humason ), în timp ce pentru z mai mare depinde de modelul particular al universului în expansiune alegere.

Legea este în orice caz atribuită astronomului Edwin Hubble , care a enunțat-o în 1929 [3] și apoi a confirmat-o cu date mai precise în 1931 într-un articol comun cu Milton Humason . Comparând distanțele celor mai apropiate galaxii cu viteza lor față de noi (măsurabilă presupunând că deplasarea lor spre roșu se datorează mișcării lor și că v / c = z pentru z << 1), Hubble a găsit o relație liniară între viteză și distanță (obținând H 0 = aproximativ 500 km / s per Mpc , o valoare de 7 ori mai mare decât valoarea acceptată în prezent).

La momentul anunțării sale, acest rezultat era de fapt destul de dubios: Hubble subestimase serios erorile de măsurare, până la punctul în care dacă astăzi analiza sa se repeta pe același eșantion de obiecte, dar folosind cele mai actualizate date pentru distanțele și viteza lor de recesiune, un rezultat semnificativ statistic nu ar fi obținut, deoarece galaxiile considerate sunt prea aproape de noi. Această incertitudine se manifestă prin faptul că valoarea acceptată în prezent pentru H 0 este de aproximativ 7 ori mai mică decât cea estimată inițial de Hubble însuși. Cu toate acestea, faptul că există o relație liniară între distanța și viteza recesiunii a fost confirmat în mod repetat de toate observațiile ulterioare.

Implicații cosmologice

Faptul că viteza recesiunii este proporțională cu distanța, exact așa cum se întâmplă în orice mediu supus unei expansiuni uniforme, este în conformitate cu principiul cosmologic , o ipoteză utilizată întotdeauna pentru a construi modele matematice ale universului. Cu alte cuvinte, faptul că galaxiile se îndepărtează de noi nu implică deloc o poziție privilegiată a Pământului în Univers , deoarece o lege formal identică este valabilă pentru toate punctele de observație posibile (adică dacă am fi într-o altă galaxie , am găsi exact aceeași relație între viteză și distanță).

Importanța istorică a legii lui Hubble constă în eliminarea tuturor modelelor statice ale Universului, care până atunci erau favorizate pe scară largă (cea mai faimoasă consecință a acestei prejudecăți a fost introducerea arbitrară a lui Einstein a unei constante cosmologice în ecuațiile sale, pentru a face universul pe care l-au prezis static), chiar dacă au început să apară îndoieli în acest sens: de ex. la începutul anilor douăzeci , teoreticienii Aleksandr Friedman și Georges Lemaître propuseseră deja modele cosmologice în care evoluează Universul și Lemaître prevedea și legea care a fost apoi verificată experimental de Hubble.

După descoperirea lui Hubble, teoriile care postulau nașterea universului din Big Bang au primit din ce în ce mai mult sprijin, deși, până la sfârșitul anilor 1960 , când a fost descoperit fundalul cosmic cu microunde , teoria stării de echilibru a fost considerată o alternativă valabilă.

În ciuda credinței răspândite că legea empirică a lui Hubble este dovada definitivă a expansiunii Universului, ea în sine indică doar o relație între două mărimi măsurate, tocmai schimbarea la roșu și luminozitatea aparentă. Edwin Hubble , de exemplu, a fost foarte precaut cu privire la implicațiile cosmologice ale descoperirii sale și a manifestat întotdeauna scepticism cu privire la expansiunea universului. Teoretic este posibil (deși foarte puțin probabil) ca deplasarea spre roșu să nu se datoreze unei mișcări a sursei față de observator, ci unui anumit efect fizic, pe care nu îl înțelegem, sau că relația dintre luminozitate și distanță este diferită de ceea ce așteptăm.

Valoarea constantei Hubble

Deja la câțiva ani de la enunțarea legii lui Hubble, s-a realizat că valoarea lui H 0 indicată de Hubble era excesiv de mare (de exemplu, Hubble confundase două tipuri diferite de indicatori de distanță), așa că a fost revizuită continuu pentru a fi redusă.

Cu toate acestea, acest proces de revizuire a dat naștere unei controverse îndelungate și aprinse între două „partide”, „conduse” de Allan Sandage și respectiv Gérard de Vaucouleurs , care au propus două valori diferite și substanțial incompatibile: aproximativ 1,6 aHz (50 km / s / Mpc) pentru Sandage și „adepții” săi și aprox 3,2 aHz (100 km / s / Mpc) pentru Vaucouleurs. Conform măsurătorilor actuale, valoarea reală se află la mijloc, mai aproape de cea a lui Sandage.

Controversa a fost atât de aprinsă încât cosmologii teoretici, pentru a evita implicit să ia o poziție asupra ei, au parametrizat adesea valoarea constantei Hubble cu un număr h:

dintre care s-a spus pur și simplu că era între 0,5 și 1.

O măsurare mai precisă a fost posibilă doar în ultimii ani: o primă estimare bazată pe observațiile variabilelor cefeide cu telescopul spațial Hubble (HST) din mai 2001, care a furnizat o primă estimare egală cu 2,33 ± 0,26 aHz ( 72 ± 8 km / s / Mpc ).

Observațiile fundalului cosmic cu microunde efectuate cu satelitul WMAP ( 2003 ) au oferit o valoare similară prin înjumătățirea erorii: 2,30 ± 0,13 aHz ( 71 ± 4 km / s / Mpc ).

În 2006, NASA a obținut telescopul folosind o estimare estimată a orbitei Chandra 2,5 ± 0,37 aHz ( 77 ± 12 km / s / Mpc ). [4]

Site-ul NASA WMAP rezumă toate acestea indicând o valoare medie pentru constantă egală cu 2,29 ± 0,52 aHz ( 70,8 ± 1,6 km / s / Mpc ) dacă spațiul este considerat plat sau de 2,3 ± 1,3 aHz ( 70,8 ± 4,0 km / s / Mpc ) în alte cazuri. [5] Aceste estimări, totuși, datează din 2007 și nu iau în considerare cele mai recente măsuri. [6]

În 2009, folosind din nou măsurători HST, valoarea 2,40 ± 0,12 aHz ( 74,2 ± 3,6 km / s / Mpc ). [7]

Determinările din 2010 efectuate din nou cu HST și bazate pe măsurători ale efectului de lentilă gravitațională au condus la valoarea 2,35 ± 0,10 aHz ( 72,6 ± 3,1 km / s / Mpc ). [8]

Din analiza de șapte ani a măsurătorilor efectuate cu WMAP și publicată în 2010 o estimare de 2,301 ± 0,081 aHz ( 71,0 ± 2,5 km / s / Mpc ) folosind exclusiv aceste date în timp ce aveți 2,282 ± 0,045 aHz ( 70,4 ± 1,4 km / s / Mpc ) dacă mediați date cu măsurători anterioare din alte studii. [9]

În 2011, cu noua cameră cu infraroșu a telescopului spațial Hubble (HST) o valoare de 2.392 ± 0,077 aHz ( 73,8 ± 2,4 km / s / Mpc ). [10] [11]

O abordare alternativă folosind date din grupuri de galaxii a obținut o valoare de 2,171 ± 0,010 aHz ( 67,0 ± 3,2 km / s / Mpc ). [12] [13]

În octombrie 2012, Freedman și colab. Au obținut o valoare constantă de 2,407 ± 0,068 aHz ( 74,3 ± 2,1 km / s / Mpc ) datorită măsurătorilor efectuate de telescopul spațial cu infraroșu Spitzer . [14]

La 21 martie 2013, datele din sonda Planck a ESA au returnat o valoare egală cu 2,176 ± 0,039 aHz ( 67,15 ± 1,2 km / s / Mpc ). [15]

Pe 26 ianuarie 2017, un grup internațional de astronomi din colaborarea H0LiCOW, condus de Sherry Suyu, a anunțat rezultatele unui studiu, bazat pe lungimea diferită a căilor de lumină ale galaxiilor deviate cuasarele, care funcționează ca lentile gravitaționale gigantice. [16] Măsurarea a fost efectuată cu o combinație de telescoape terestre și spațiale (inclusiv telescopul spațial Hubble în sine).

Valoarea rezultată a constantei Hubble este calculată în prezent în 71,9 ± 2,7 km / s / Mpc , în acord excelent cu alte măsurători bazate pe observarea universului local, dar distincte de valorile sugerate de observarea fundalului cosmic cu microunde. [17]

Parametrul Hubble

Trebuie remarcat faptul că în aproape toate modelele cosmologice (și în special în toate cele bazate pe ipoteza Big Bang, adică practic în toate cele considerate posibile în prezent), constanta Hubble este constantă doar în sensul că dacă în acest moment (adică la același moment al timpului cosmologic ) dacă am repeta măsurarea acestuia în orice alt punct al universului, am obține aceeași valoare. Cu toate acestea, această valoare se modifică în timp. Pentru a limita confuzia, de obicei folosim termenul parametru Hubble la momentul t (notat cu H (t) ), în timp ce constanta Hubble H 0 înseamnă valoarea curentă.

Evoluția lui H se datorează efectelor gravitației (forța gravitațională a materiei din univers tinde să încetinească expansiunea) și așa-numita energie întunecată (energia întunecată), care în schimb tinde să accelereze; așa-numita constantă cosmologică ar fi o formă specială de energie întunecată. Măsurătorile efectuate în ultimii ani (începând din 1999 ) par să indice că expansiunea universului se accelerează în prezent.

Epoca universului

Din valoarea lui H 0 este, de asemenea, posibil să se obțină un ordin de mărime pentru vârsta universului: în toate modelele cosmologice care presupun un Big Bang, de fapt, timpul scurs între Big Bang și epoca actuală este dat aproximativ de 1 / H 0 = 13,7 ± 0,8 Ga (unde s-a folosit valoarea H 0 găsită de WMAP). Pentru o evaluare mai precisă a epocii universului este necesar să se cunoască o serie de alți parametri cosmologici care iau în considerare, în primul rând, expansiunea inflaționistă ; de exemplu, folosind toate valorile măsurate de Planck împreună găsim o vârstă de 13,82 miliarde de ani.

Odată ce cunoaștem vârsta universului și acceptăm presupunerea că viteza luminii este constantă, s-ar părea că nu este posibil să observăm obiecte mai departe decât spațiul parcurs de lumină pe parcursul întregii vieți a universului. Noțiunea că această distanță este trivial egală cu aproximativ 13,82 miliarde de ani lumină (4,3 gigaparsec) este eronată, întrucât nu ține cont de expansiunea universului care a intervenit progresiv, printre altele, în accelerație constantă, până la atingerea situației. unde spațiul se extinde mai repede decât lumina.

Distanța Hubble, obținută din constanta Hubble, situată la 16 miliarde de ani lumină de la observare [18] , delimitează distanța dincolo de care legile fizice, spațiul și timpul își pierd sensul și contactul cauzal , adică posibilitatea de a observa sau schimba orice semnal , interacțiune sau informație, care în practică părăsește realitatea observatorului.

Probleme și criticități

Legea lui Hubble a fost întotdeauna supusă criticilor din partea oponenților modelului Big Bang. Unul dintre cei mai acerbi critici a fost astronomul Halton Arp , care a negat originea sa cosmologică și care timp de decenii a raportat comunității științifice observarea unui număr mare de încălcări ale legii Hubble, pe baza căreia modelul Big Bang-ului. Una dintre cele mai cunoscute este asocierea fizică (peste un pod de materie) a unei galaxii și a unui quasar ( Markarian 205 ), care, cu toate acestea, au schimbări de roșu foarte diferite; aplicând legea lui Hubble acestei perechi, ar trebui să li se atribuie o distanță care să excludă orice asociere, în timp ce în schimb cele două obiecte astronomice sunt efectiv asociate. [19]

Notă

  1. ^ a b ( EN ) Membrii IAU votează pentru a recomanda redenumirea legii Hubble ca lege Hubble - Lemaître , la IAU , 29 octombrie 2018. Accesat la 30 noiembrie 2018 .
  2. ^ Georges Lemaître , Un univers homogène de masse constant et de rayon croissant rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuses extra-galactiques , în Annales de la Société Scientifique de Bruxelles , A47, 1927, pp. 49-59, bibcode : 1927ASSB ... 47 ... 49L . . Parțial tradus (traducătorul rămâne neidentificat) în Georges Lemaître , Expansion of the universe, Un univers omogen cu masă constantă și rază în creștere care să țină cont de viteza radială a nebulelor extra-galactice , în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , vol. 91, 1931, pp. 483-490, bibcode : 1931MNRAS..91..483L . .
  3. ^ (EN) Edwin Hubble, A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae (PDF), în Proceedings of the National Academy of Sciences din Statele Unite ale Americii, 15 Numărul 3, 15 martie 1929, pp. 168-173.
  4. ^ Chandra confirmă constanta Hubble , universetoday.com , 8 august 2006. Accesat pe 7 martie 2007 .
  5. ^ Universul WMAP , la wmap.gsfc.nasa.gov , NASA.
  6. ^ Cât de rapid se extinde Universul? , la wmap.gsfc.nasa.gov , NASA (arhivat din original la 1 ianuarie 2007) .
  7. ^ Constant Hubble rafinat îngustează explicațiile posibile pentru energia întunecată , pe hubblesite.org , 9 mai 2009. Accesat pe 9 mai 2009 . WL Freedman, BF Madore, BK Gibson, L. Ferrarese, DD Kelson, S. Sakai, JR Mold, RC Kennicutt, Jr., HC Ford, JA Graham, JP Huchra, SMG Hughes, GD Illingworth, LM Macri, PB Stetson, Rezultate finale ale proiectului cheie Telescop spațial Hubble pentru măsurarea constantei Hubble , în Jurnalul astrofizic , vol. 553, n. 1, 2001, pp. 47–72, Bibcode : 2001ApJ ... 553 ... 47F , DOI : 10.1086 / 320638 , arXiv : astro-ph / 0012376 .
  8. ^ SH Suyu, PJ Marshall, MW Auger, S. Hilbert, RD Blandford, LVE Koopmans, CD Fassnacht și T. Treu. Disectarea lentilelor gravitaționale B1608 + 656. II. Măsurători de precizie ale constantei Hubble, curburii spațiale și ecuației de stare a energiei întunecate. Jurnalul astrofizic, 2010; 711 (1): 201 DOI: 10.1088 / 0004-637X / 711/1/201
  9. ^ Observații de șapte ani Wilson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observații: Hărți Sky, erori sistematice și rezultate de bază ( PDF ), la lambda.gsfc.nasa.gov , nasa.gov. Accesat la 2 decembrie 2010 . (vezi p. 39 pentru un tabel cu cele mai bune estimări pentru diferiți parametri cosmologici)
  10. ^ Adam G. Riess, Lucas Macri, Stefano Casertano, Hubert Lampeitl, Henry C. Ferguson, Alexei V. Filippenko , Saurabh W. Jha, Weidong Li și Ryan Chornock, O soluție de 3%: Determinarea constantei Hubble cu spațiul Hubble Telescope and Wide Field Camera ( PDF ), în The Astrophysics Journal , vol. 730, nr. 2, 1 aprilie 2011, p. 119, Bibcode : 2011ApJ ... 730..119R , DOI : 10.1088 / 0004-637X / 730/2/119 . Adus la 1 noiembrie 2011 (arhivat din original la 7 august 2011) .
  11. ^ „New Study Dă un impuls energiei întunecate” Arhivat 30 septembrie 2012 la Internet Archive . (Ron Cowen), Science News, 16 martie 2011.
  12. ^ Florian Beutler, Chris Blake, Matthew Colless, D. Heath Jones, Lister Staveley-Smith, Lachlan Campbell, Quentin Parker, Will Saunders și Fred Watson, The 6dF Galaxy Survey: Baryon Acoustic Oscillations and the Local Hubble Constant , in Monthly Notices of The Royal Astronomical Society , vol. 416, nr. 4, 25 iulie 2011, p. 3017, Bibcode : 2011MNRAS.tmp.1164B , DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2011.19250.x .
  13. ^ „Constanta Hubble: o nouă modalitate de a măsura extinderea universului” , Science Daily, 27 iulie 2011.
  14. ^(EN) Wendy L. Freedman, Barry F. Madore, Victoria Scowcroft, Chris Burns, Andy Monson, S. Eric Persson, Carnegie Hubble Program: Mid-Infrared Calibration of the Hubble Constant , în The Astrophysical Journal, vol. 758, nr. 1, 2012, p. 24, DOI : 10.1088 / 0004-637X / 758/1/24 . Accesat la 10 octombrie 2012 .
  15. ^ Univers mai vechi decât se gândea anterior
  16. ^ http://subarutelescope.org/Pressrelease/2017/01/26/index.html
  17. ^ http://astronomy.com/news/2017/01/holicow-measures-the-universe
  18. ^ Copie arhivată ( PDF ), la space.mit.edu . Adus la 6 noiembrie 2008 (arhivat din original la 19 iulie 2011) .
  19. ^ Răspunsul lui Paolo Sirtoli pe vialattea.net , pe vialattea.net . Adus la 28 decembrie 2015 (arhivat din original la 8 decembrie 2015) .

Bibliografie

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Hubble_Law&oldid=121670315 ”