Hubble'i seadus: universumi paisumine ja Hubble'i konstant

Hubble'i seadus või Hubble-Lemaître'i seadus on nimetus tähelepanekule, et:

1. Kõigil kosmoses vaadeldavatel objektidel on doppleri nihkega mõõdetud kiirus Maa ja üksteise suhtes;
2. Maast eemalduvate galaktikate dopplernihke abil mõõdetud kiirus on proportsionaalne nende kaugusega Maast ja kõigist teistest tähtedevahelistest kehadest.

Tegelikkuses on vaadeldava universumi ruumilis-ajaline maht laienemas ja Hubble'i seadus on selle otsene füüsikaline tähelepanek. See on aluseks universumi paisumisele ja on tõendusmaterjaliks, millele sageli viidatakse Suure Paugu mudeli toetuseks.

Kuigi seda seadust omistatakse laialdaselt Edwin Hubble'ile, tuletas Georges Lemaître 1927. aasta artiklis esimest korda üldrelatiivsusteooria võrranditest. Selles pakkus ta välja, et Universum paisub, ja pakkus välja paisumise kiiruse väärtuse, mida nüüd nimetatakse Hubble'i konstandiks. Kaks aastat hiljem kinnitas Edwin Hubble selle seaduse olemasolu ja määras konstandi täpsema väärtuse, mis nüüd kannab tema nime. Objektide taandumise kiirus tuletati nende punnihete põhjal, millest paljud olid varem, 1917. aastal Vesto Slipheri poolt mõõdetud ja tema poolt kiirusega seostatud.

Seda seadust väljendatakse sageli võrrandiga v = H0D, kus H0 on galaktika "korralise kauguse" D ja selle kiiruse v vaheline proportsionaalsuse konstant (Hubble'i konstant) (vt korralise kauguse kasutamine). H0 esitatakse tavaliselt ühikutes (km/s)/Mpc, mis annab 1 megaparsec (3,09×1019 km) kaugusel asuva galaktika kiiruse km/s. H0 pöördväärtus on Hubble'i aeg.

Hiljuti 2011. aastal tehtud Hubble'i konstandi hinnang, mille puhul kasutati Hubble'i kosmoseteleskoobi (HST) uut infrapunakaamerat, et mõõta astronoomiliste objektide kaugust ja punanihet, annab väärtuseks H0 = 73,8 ± 2,4 (km/s)/Mpc. Alternatiivne lähenemisviis, milles kasutati andmeid galaktiliste klastrite kohta, andis väärtuseks H0 = 67,0 ± 3,2 (km/s)/Mpc.

On kasutatud mitmeid teisi meetodeid, mis annavad arvud vahemikus 70-72 (km/s)/Mpc. Hiljutine (2016) meetod, mis kasutab universumi vanimat valgust, näitab, et Hubble'i konstandi väärtus oli 66,53 km/s/megaparsec varsti pärast paisumise algust. See tähendab, et paisumise kiirus on suurenenud.

Mõistmine ja tähendus

Hubble'i seadus väljendab lihtsustatult, et mida kaugemal galaktika asub, seda kiiremini see meist paistab eemalduvat. See ei tähenda, et galaktikad "sõidaksid" läbi tühja ruumi lihstalt eemale — pigem tõuseb kaugus nende ja meie vahel, sest ruum ise laieneb. Seega pole tegemist ainult Doppleri‑liikumisega samal viisil nagu läheneva või eemalduva autoga, vaid kosmoloogilise punanihega, mis tuleneb ruumi laiendamisest.

Kuidas punnihe ja kiirus omavahel seotud on

Punnihe z on mõõdetav jälgides galaktika spektri liikumist punema või sinisema lainepikkuse suunas. Väikeste z korral kehtib lihtne lähenemine v ≈ c·z (kus c on valguse kiirus) ja seejärel v ≈ H0·D. Suuremate punanihete korral tuleb aga kasutada kosmoloogilisi seoseid, sest relatiivsuse ja kosmoloogilise mudeli mõjud muutuvad märkimisväärseks — z ei muundu otse lineaarseks kiiruseks. Seetõttu muundavad astronoomid punnihetest kaugusi ja kiirusi kasutades valitud kosmoloogilist mudelit (nt ΛCDM).

Hubble'i parameeter ja selle ajasõltuvus

Hubble'i "konstant" H0 on tegelikult Hubble'i parameetri H(t) tänapäevane väärtus. H(t) sõltub ajast ja muutub Universumi evolutsiooni käigus sõltuvalt massi‑energia koostisest (aine, tumeaine, tumeenergia). H0 tähistab praegust paisumise kiirust ning selle ühikute pöördväärtus annab umbkaudse aja skaalaks Hubble'i aja tH ≈ 1/H0, mis on mõne miljardi aasta suurusjärgus ja annab ligikaudse viite universumi vanusele (sõltuvalt täpsemast kosmoloogilisest mudelist).

Ühikud, näited ja lähendused

• Ühikute tõlgendus: 1 (km/s)/Mpc tähendab, et galaktika 1 Mpc kaugusel paistab eemalduvat 1 km/s. Kui H0 = 70 (km/s)/Mpc, siis galaktika 10 Mpc kaugusel eemaldub ~700 km/s.
• Hubble'i aeg: Kui H0 ≈ 70 (km/s)/Mpc, siis Hubble'i aeg tH ≈ 1/H0 ≈ 14 miljardit aastat (sõltuvalt täpsest H0‑st ja kosmoloogilisest mudelist võib see väärtus veidi erineda).
• Hubble'i pikkus: c/H0 on iseloomulikul skaala pikkus (~4 000–4 500 Mpc), mille juures kosmoloogiline efekt muutub oluliseks.

Ajaloost ja nimetamisest

Georges Lemaître tuletas 1927. aastal üldrelatiivsusteooriast paisuva universumi lahenduse ja pakkus välja paisumise kiiruse. Edwin Hubble avaldas 1929. aastal vaatlusandmete põhjal lineaarse seose kauguse ja eemaldumiskiiruse vahel. Pikkade aastakümnete jooksul omistati avastus laialdaselt Hubble'ile, kuid viimastel aastatel on Lemaître'i panus selgelt tunnustatud — rahvusvaheline astronoomiakogukond eelistab nimetust Hubble–Lemaître'i seadus (IAU soovitus 2018. aastal).

Esialgsed Hubble'i kaugused olid ebatäpsed (näiteks Hubble ise andis palju suurema H0 väärtuse), sest kaugete objektide kauguste mõõtmine oli tollal raske. Aja jooksul on kaugusmõõtmisi kohendatud ja meetodid paranenud (Cepheidid, Ia tüüpi supernoovad, astronoomiline kauguseredel jms).

Tänapäevased mõõtmised ja nii‑öelda pinge H0 ümber

Hubble'i konstandi määramiseks on mitu sõltumatut meetodit:

• Kauguse‑redel: lähimad sammud (Cepheidid, tippsuurte tähtede mõõtmised) ja Hubble'i kosmoseteleskoobi vaatlusandmed koos supernoovadega. Need lähema‑skaala meetodid annavad tavaliselt suurema H0 (nt HST‑projekti hinnangud ≈ 73–74 (km/s)/Mpc).
• Kosmiline mikrolaine‑taustkiirgus (CMB): Plancki ja teiste kosmoloogiliste mõõtmiste põhjal on hinnang tavaliselt madalam (umbes 67–68 (km/s)/Mpc), kuid see sõltub kosmoloogilisest mudelist (ΛCDM) ja eeldustest.
• Muud mittesõltuvad meetodid: näiteks galaktiliste klastrite uuringud, gravitatsioonilainete standard‑sireenid ja teised mõõtmised annavad samuti hinnanguid mõne protsendi täpsusega, kuid tulemused ei ole kõigis meetodites täielikult kooskõlas.

See erinevus kahe kõrge täpsusega lähenemise vahel — nn "H0‑pinge" — on tänapäeval aktiivne uurimisvaldkond. Kui pinget ei selgita instrumentaalsed või andmetöötluse vead, võib see viidata uuele füüsikale (näiteks keerukam tumeenergia, varasem kosmoloogia või ootamatud protsessid varajases Universumis).

Piirangud ja levinud eksiarvamused

• Hubble'i seadus v = H0D on täpne ainult väikestel kaugustel ja väikeste punnihete korral. Suuremate z jaoks tuleb kasutada täis‑kosmoloogilist seost ja võtta arvesse H(t) muutumist.
• Galaktikate eemaldumine ei riku erirelatiivsust, isegi kui mõningate kauguste korral näib kiirus olevat suurem kui c — see tuleneb ruumi laienemisest, mitte otsesest objektide läbiliikumisest ülevalguse kiiruse.
• H0 väärtus sõltub mõõtmismeetodist ja selle tõlgendamisest; täpse teadusliku konsensuse puudumine on uuringute aktuaalne teema.

Kokkuvõte

Hubble'i seadus on fundamentaalne tähelepanek universumi laienemisest. Selle lihtsustatud vorm v = H0D annab ligikaudse seose kiiruse ja kauguse vahel ning H0 on tänapäeva paisumise kiiruse mõõt. Kuigi meetodite arendamine on võimaldanud H0 täpsemalt määrata, on erinevate meetodite tulemuste vahel püsiv erinevus, mis ajendab uusi vaatlusprojekte ja teoreetilisi uurimusi universumi varasema ja praeguse käitumise mõistmiseks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Hubble'i seadus?

K: Kes tuletas selle seaduse esimesena?

K: Kes kinnitas selle olemasolu?

K: Kuidas mõõdeti taandumise kiirust?

K: Milline võrrand väljendab seda seadust?

K: Millises ühikus on H0 tavaliselt esitatud?

Otsing