H πρώτη εκτίμηση της σταθεράς Hubble και της ηλικίας του σύμπαντος

Πηγή Εικόνας: Copyright © Michael Richmond, Creative Commons License.

Το 1929, οι αστρονόμοι Edwin Hubble και Milton Humason κατάφεραν και μέτρησαν ταχύτητες απομάκρυνσης αλλά και αποστάσεις για 46 γαλαξίες, με το μέγιστο της απόστασης να φτάνει περίπου τα 2 Mpc (1 Mpc = 1.000.000 parsec = 3.260.000 έτη φωτός), χρησιμοποιώντας παρατηρησιακά δεδομένα από το μεγάλο τηλεσκόπιο Hooker διαμέτρου 2.5 μ του όρους Wilson στην California. Στο εγχείρημα αυτό, οι Hubble και Humason αξιοποίησαν την πρωτοποριακή μελέτη του αστρονόμου Vesto Slipher για τον υπολογισμό των ακτινικών ταχυτήτων 25 κοντινών γαλαξιών (1917) μέσω φασματοσκοπίας. Επιπροσθέτως, βασίστηκαν στην εργασία της αστρονόμου Henrietta Leavitt για τη γραμμική σχέση μεγέθους–περιόδου των μεταβλητών αστέρων Κηφείδων (1912), άρα και την εκτίμηση της πραγματικής τους απόστασης. Λόγω έλλειψης στατιστικής επάρκειας και μεγάλου περιθωρίου σφαλμάτων αποφάσισαν να επεκτείνουν την μελέτη τους σε περισσότερους και πιο μακρινούς γαλαξίες, περίπου μέχρι τα 30 Mpc (~100.000.000 έτη φωτός), την οποία και δημοσίευσαν στο έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Astrophysical Journal (vol. 74, p. 43, July 1931) με τίτλο «Η σχέση ταχύτητας–απόστασης μεταξύ εξωγαλαξιακών νεφελωμάτων».

Η εργασία περιείχε τη γραφική παράσταση (Εικόνα 1) που καταδείκνυε τη γραμμική σχέση ακτινικών ταχυτήτων και αποστάσεων (v = H · d, όπου v = ταχύτητα, d = απόσταση και H = σταθερά Hubble με μονάδες km/s/Mpc), η οποία έμελλε να μείνει στην ιστορία ως Νόμος του Hubble. Από τη συγκεκριμένη μελέτη κατέστη εφικτό να υπολογιστεί για πρώτη φορά στην ιστορία της Κοσμολογίας η σταθερά αναλογίας Η~550 km/s/Mpc^(*) που ουσιαστικά μετρά τον ρυθμό διαστολής του Σύμπαντος. Αν ένας γαλαξίας βρίσκεται σε απόσταση 1 Mpc, τότε απομακρύνεται (από τον δικό μας) με ταχύτητα 550 km/s. Αν βρίσκεται στα 10 Mpc, τότε απομακρύνεται με δεκαπλάσια ταχύτητα 5500 km/s, κλπ. Επομένως σε κάθε περίπτωση μπορεί να υπολογιστεί ο χρόνος που χρειάζεται κάθε γαλαξίας για να φτάσει σε συγκεκριμένη απόσταση, εάν απομακρύνεται με συγκεκριμένη ταχύτητα: t = d/v = 1/H, δηλαδή το αντίστροφο της σταθεράς αναλογίας του Hubble, ή αλλιώς η ηλικία του Σύμπαντος (σε μονάδες χρόνου), εκτιμώμενη από πραγματικά παρατηρησιακά δεδομένα κοντινών και μακρινών γαλαξιών. Αυτή βρέθηκε στα 1,8 δισεκατομμύρια χρόνια (1 Gyr), αρκετά μικρότερη από την υποτιθέμενη ηλικία της Γης που εκείνη την εποχή (λόγω γεωλογικών ευρημάτων) είχε εκτιμηθεί στα 3,4 Gyr.

Εικόνα 1: Γραμμική σχέση μεταξύ ακτινικών ταχυτήτων και αποστάσεων κοντινών και μακρινών γαλαξιών. (Credit: Copyright © Richard W. Pogge, All Rights Reserved)

Παρ’όλες τις διιστάμενες απόψεις και τις επιστημονικές διαμάχες της εποχής, η εργασία των Hubble και Humason αποτέλεσε την πρώτη παρατηρησιακή απόδειξη υπέρ της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης και ενός δυναμικού μοντέλου για το Σύμπαν, και κατά εκείνης του στατικού Σύμπαντος που υιοθετούσε ο Einstein.

(*) Σύμφωνα μα το ισχύον κοσμολογικό μοντέλο σήμερα, η τιμή της παραμέτρου Hubble εκτιμάται περίπου στα 70 km/s/Mpc, ενώ η αντίστοιχη ηλικία του Σύμπαντος στα 13,8 Gyr. Tέλος, η ηλικία της Γης και επομένως του ηλιακού μας συστήματος υπολογίζεται περίπου στα 4,5 Gyr.

Πηγές

1. The Velocity-Distance Relation among Extra-Galactic Nebulae, E. Hubble & M. Humason, Ap. J, 74, 43, 1931.
2. Big Bang, Simon Singh, Τραυλός, Αθήνα, 2005.
3. The realm of the Nebulae, E. Hubble, Dover, New York, 1958.
4. Slipher, V.M. (1917). “Radial velocity observations of spiral nebulae”. The Observatory. 40: 304–306.
5. Leavitt, Henrietta S.; Pickering, Edward C. (March 1912). “Periods of 25 Variable Stars in the Small Magellanic Cloud”. Harvard College Observatory Circular. 173: 1–3]