Hubble'o–Lemaître'o dėsnis: Visatos plėtimasis ir Hubble'o konstanta (H0)

Sužinokite apie Hubble'o–Lemaître'o dėsnį, Visatos plėtimąsi ir Hubble'o konstantą (H0): reikšmę, matavimo metodus ir šiuolaikines vertes.

Hubble'o dėsnis arba Hubble'o–Lemaître'o dėsnis reiškia empirinį pastebėjimą, kad kosmose, išskyrus artimiausius objektus, matomi kūnai paprastai tolsta nuo mūsų, o jų tolimojo judėjimo greitis priklauso nuo atstumo. Konkrečiau:

1. Visi giliajame kosmose stebimi objektai turi Doplerio poslinkį - išmatuotą greitį Žemės ir vienas kito atžvilgiu;
2. Doplerio poslinkiu išmatuotas galaktikų, tolstančių nuo Žemės, greitis yra proporcingas jų atstumui iki Žemės ir visų kitų tarpžvaigždinių kūnų.

Iš tiesų stebima visatos erdvėlaikio apimtis plečiasi — tai reiškinys, kurį matematiškai paaiškina kosmologinės sprendinės bendrosios reliatyvumo lygtyse. Hubble'o dėsnis yra tiesioginis šio plėtimosi pastebėjimas: jis rodo, kad dauguma galaktikų tolsta nuo mūsų, o jų greitis didėja su atstumu. Dėl to šis dėsnis dažnai minimas kaip viena iš pagrindinių Didžiojo sprogimo modelio nuorodų.

Nors šis empirinės priklausomybės aptikimas tradiciškai siejamas su Edwinu Hubble'u, pirmuosius teorinius pagrindus ir skaičinius plėtimosi greičio apskaičiavimus 1927 m. pateikė Georges'as Lemaître'as. Vėliau (1929 m.) Edvinas Hubble'as pateikė plataus masto stebimus duomenis, patvirtinančius ryšį tarp galaktikos raudonojo poslinkio ir atstumo. Objektų atsitraukimo greitis buvo nustatytas iš jų raudonųjų poslinkių, kuriuos anksčiau, 1917 m., išmatavo Vesto Slipheris ir susiejo su greičiu.

Matematika ir kosmologinis kontekstas

Hubble'o dėsnis dažnai išreiškiamas paprasta lygtimi v = H0D, kur v — galaktikos radialinis greitis, D — "tikrasis atstumas" iki galaktikos, o H0 — Hubble'o konstanta. Originalioje teksto versijoje ši lygtis pateikta kaip v = H0D, ir nuoroda į Tikrojo atstumo panaudojimą paaiškina, ką reiškia matuoti atstumą kosmologijoje.

Fizinė prasme Hubble'o dėsnis yra tiesioginis plėtimosi kaukazdinis simptomas: kosminis mastelio faktorius a(t) didėja laike, o greitis, kuriuo atstumas tarp dviejų taškų didėja, vietiniame lygmenyje duodamas santykiniu santykiu v = (ȧ/a) D; šioms sąvokoms esant, H0 = (ȧ/a)|today — tai šiandieninis plėtimosi greitis.

Hubble'o konstanta H0 — vienetai ir prasmė

H0 paprastai išreiškiama vienetais (km/s)/Mpc (kilometrai per sekundę vienai megaparsekai). Tai reiškia, kiek km/s greičiu tolsta objektas, esantis už 1 megaparsekos (~3,09×10^19 km). Inversinė Hubble'o konstantos reikšmė duoda charakterinį laiką — Hubble'o laiką, kurio apytikslė reikšmė, pritaikius šiuolaikines H0 vertes, yra keleto dešimčių milijardų metų skalėje ir susijusi su Visatos amžiaus įvertinimu (su papildomais koregavimais dėl masės–energijos sudėties). Pvz., apytiksliai 1/H0 ≈ 14 milijardų metų, jei H0 ~ 70 (km/s)/Mpc, tačiau tikslus Visatos amžius gaunamas sprendžiant Friedmanno lygtis su žinomomis energijos formomis (tamsioji energija, materija, radiacija).

Matuojant H0: metodai ir rezultatai

Hubble'o konstantą galima nustatyti keliais, tarpusavyje nepriklausomais metodais. Pagrindiniai metodai:

• Atstumo kopėčių (distance ladder): pradiniu etapu naudojamos Cepėjų ryškumo–periodo priklausomybės, toliau pereinama prie tipiškų sprogstamųjų supernovų Ia kaip standartinių žiburių. Pavyzdžiui, HST programos, naudojusios infraraudonųjų spindulių kamerą ir Cepėjų kalibravimą, 2011 m. pranešė H0 = 73,8 ± 2,4 (km/s)/Mpc. Vėlesni SH0ES komandos atnaujinimai (Riess ir kt.) pateikė panašias, kiek didesnes reikšmes (apie 73–74 km/s/Mpc su mažesne paklaida).
• Triukšmo ir kosminio mikrofonų (CMB) analizė: matuojant ankstyvosios Visatos foninę spinduliuotę ir modeliuojant visatos komponentus (materiją, baryonus, tamsiąją energiją), gaunama H0 prognozė pagal kosmologinį modelį (Lambda-CDM). Pavyzdžiui, misija Planck (2018) pateikė vertę apie 67,4 ± 0,5 (km/s)/Mpc.
• Baryoninių akmenų svyravimų (BAO) ir galaktikų spiečių analizė: ši metodika susieja erdvinius matavimus su atstumo masteliais ir taip riboja H0 kartu su kitais parametrais. Tam dažnai kombinuojami CMB ir BAO duomenys.
• Gravitacinio lęšinimo ir laiko delsos metodai: matuojant laiko skirtumus tarp keliais keliais keliavusios spinduliuotės iš lęšiavimo quasarų galima nepriklausomai gauti H0.
• Standartiniai šviesos signalai iš neutronų žvaigždžių susiliejimų (gravitaciniai bangos): „standartiniai šleifai“ (standard sirens) suteikia atstumą tiesiogiai, o kartu su raudonuoju poslinkiu leidžia apskaičiuoti H0 nepriklausomai nuo tradicinės atstumo kopėčios.

H0 „tension“ — skirtingi rezultatai

Skirtingi metodai duoda šiek tiek skirtingas H0 reikšmes: iš vietinių atstumo kopėčių gaunamos reikšmės paprastai yra didesnės (~73 km/s/Mpc), o iš CMB duomenų pagal ΛCDM modelį — mažesnės (~67 km/s/Mpc). Šis skirtumas vadinamas Hubble'o konstantos įtampa (H0 tension) ir yra aktyvus tyrimų objektas: tai gali būti sistemos paklaidos matavimuose, netikslumai atstumo kopėtyje arba signalas apie naują fiziką (pvz., papildomi komponentai ankstyvoje Visatoje ar netradicinė tamsiosios energijos dinamika).

Istorinės pastabos ir šiandienos reikšmė

Svarbu paminėti istorinius vardus: Georges'as Lemaître'as 1927 m. pirmasis išvedė plėtimosi idėją iš bendrųjų reliatyvumo lygčių ir apskaičiavo skaičiavimus, o Edvinas Hubble'as 1929 m. pateikė aiškius stebėjimus, kurie tapo plačiai žinomi. Taip pat J. Vesto Slipherio darbai su raudonaisiais poslinkiais leido pirmiesiems įvertinti galaktikų radialinius greičius ir padėjo suformuluoti ryšį tarp poslinkio ir greičio.

Praktinės implikacijos

Hubble'o konstanta yra kertinis kosmologinis parametras: ji lemia Visatos mastelio kaita, yra susieta su Visatos amžiumi, plėtimosi istorija ir energijos sudėtimi. Tikslesni H0 matavimai padeda geriau suprasti tamsiąją energiją, materijos kiekį ir galimas naujas fizikos sritis už ΛCDM ribų.

Santraugoje: Hubble'o–Lemaître'o dėsnis formalizuoja stebimą ryšį tarp galaktikos atstumo ir jos radialinio greičio, o Hubble'o konstanta H0 kiekybiškai apibrėžia šį plėtimosi greitį. Nors metodai matuoti H0 tampa vis pažangesni, eksperimentinė įtampa tarp skirtingų metodų rodo, kad kosmologija šiuo metu yra gyvas ir dinamiškas tyrimų laukas.

Naujų metodų ir tikslesnių duomenų (pvz., geresnės gravitacinių bangų detekcijos, didesnių galaktikų spiečių matavimų ir patobulintų atstumo kopėčių) atsiradimas leis toliau gerinti H0 vertės tikslumą ir aiškintis, ar pastebėta įtampa yra sisteminė klaida ar naujos fizikos požymis.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra Hubble'o dėsnis?

K: Kas pirmasis išvedė šį dėsnį?

K: Kas patvirtino jo egzistavimą?

K: Kaip buvo išmatuotas recesijos greitis?

K: Kokia lygtis išreiškia šį dėsnį?

K: Kokiais vienetais paprastai būna išreikšta H0?

Paieška pagal raidę