universets udvidelse eller sammentrækning afhænger af dets indhold og tidligere historie. Med nok stof vil udvidelsen sænke eller endda blive en sammentrækning. På den anden side driver mørk energi universet mod stigende ekspansionshastigheder. Den nuværende ekspansionshastighed udtrykkes normalt som Hubble-konstanten (i enheder på kilometer pr.

Hubble fandt ud af, at universet ikke var statisk, men snarere ekspanderede!

historisk oversigt

i 1920 ‘erne opdagede Hubble ved hjælp af det nybyggede 100″ teleskop på observatoriet variable stjerner i flere nebulae. Nebulae er diffuseobjekter, hvis natur var et emne for opvarmet debat i det astronomiske samfund: var deinterstellære skyer i vores egen mælkevejsgalakse eller hele galakser uden for vores galakse?Dette var et vanskeligt spørgsmål at besvare, fordi det er notorisk vanskeligt at måle afstanden til de fleste astronomiske kroppe, da der ikke er noget referencepunkt til sammenligning.Hubbles opdagelse var revolutionerende, fordi disse variable stjerner havde en karakteristiskmønster ligner en klasse af stjerner kaldet Cepheid variabler. Tidligere havde Henrietta Levitt, en del af en gruppe kvindelige astronomer, der arbejder ved Harvard College Observatory, vistder var en tæt sammenhæng mellem perioden for en Cepheid variabel stjerne og densluminositet (iboende lysstyrke). Ved at kende lysstyrken af en kilde er det muligt atmåle afstanden til den kilde ved at måle, hvor lys den ser ud for os: lysdæmperdet vises jo længere væk det er. Ved at måle perioden for disse stjerner (og dermed deres lysstyrke) og deres tilsyneladende lysstyrke kunne Hubble således vise, at disse tåger ikke var skyer i vores egen galakse, men var eksterne galakser langt ud over kanten af vores egen galakse.Hubbles anden revolutionerende opdagelse var baseret på at sammenligne hans målinger af de pefeidbaserede galakseafstandsbestemmelser med målinger af de relative hastigheder af disse galakser. Han viste, at fjernere galakser bevæger sig væk fra os morerapidly:

v = Hod

hvor v er den hastighed, hvormed en galakse bevæger sig væk fra os, og d er dens afstand. Denkonstant af proportionalitet Ho kaldes nu Hubble-konstanten. Den fælles enhed af hastighed, der bruges til at måle en galakses hastighed, er km/sek, mens den mest almindeligeenhed af til måling af afstanden til nærliggende galakser kaldes Megaparsec (Mpc), som er lig med 3,26 millioner lysår eller 30.800.000.000.000.000.000 km! Således er enhederne af Hubble-konstanten (km / sek) / Mpc.

denne opdagelse markeredebegyndelsen af den moderne alder af kosmologi. I dag forbliver cepheidvariabler en af de bedstemetoder til måling af afstande til galakser og er afgørende for at bestemme ekspansionshastigheden (Hubble-konstanten) og universets alder.

Hvad er Cepheid variabler?

strukturen af alle stjerner, herunder Solen og Cepheid variable stjerner, bestemmesaf stoffets opacitet i stjernen. Hvis sagen er meget uigennemsigtig, tager det lang tid for fotoner at diffundere ud fra stjernens varme kerne, og der kan udvikles stærke temperatur-ogtrykgradienter i stjernen. Hvis sagen er næsten gennemsigtig, såfotoner bevæger sig let gennem stjernen og sletter enhver temperaturgradient. Cepheid starsoscillate mellem to stater: når stjernen er i sin kompakte tilstand, er helium i et lagaf sin atmosfære enkeltvis ioniseret. Fotoner spredes ud af den bundne elektron i thesingly ioniserede heliumatomer, således er laget meget uigennemsigtigt og stor temperatur ogtrykgradienter opbygges over laget. Disse store tryk får laget (oghele stjernen) til at udvide. Når stjernen er i sin udvidede tilstand, helium i lageter dobbelt ioniseret, så laget er mere gennemsigtigt for stråling, og der er megetsvag trykgradient over laget. Uden trykgradienten for at understøttestjernen mod tyngdekraften trækker laget (og hele stjernen) sig sammen, og stjernen vender tilbage til sinkomprimerede tilstand.Cepheid variable stjerner har masser mellem fem og tyve solmasser. De moremassive stjerner er mere lysende og har mere udvidede konvolutter. Fordi deres konvolutter er mere udvidede, og densiteten i deres konvolutter er lavere,er deres variabilitetsperiode, som er proportional med den inverse kvadratrod af densiteten i laget, længere.

tekstlink til HST-pressemeddelelsen, der beskriver dette billede.

vanskeligheder ved brug af cepheider

der har været en række vanskeligheder forbundet med at bruge cepheider som afstandindikatorer. I store dele af det sidste århundrede brugte astronomer fotografiske plader til at måle strømningernefra stjerner. Pladerne var meget ikke-lineære og producerede ofte defekte strømningsmålinger.Da massive stjerner er kortvarige, er de altid placeret i nærheden af deres støvede fødesteder.Støv absorberer lys, især ved blå bølgelængder, hvor de fleste fotografiske billeder blev taget, og hvis det ikke er korrekt korrigeret for, kan denne støvabsorption føre til fejlagtige lysstyrkebestemmelser. Endelig har det været meget vanskeligt at opdage cepheider ifjerne galakser fra jorden: jordens svingende atmosfære gør det umuligt at adskille disse stjerner fra det diffuse lys i deres værtsgalakser.

et andet historisk problem med at bruge cepheider som afstandsindikatorer har været problemet med at bestemme afstanden til en prøve af nærliggende cepheider. I de senere år har astronomer udviklet flere meget pålidelige og uafhængige metoder til bestemmelse afstandene til Den Store Magellanske Sky (LMC) og Small Magellanic Cloud (SMC), to afde nærliggende satellitgalakser i vores egen Mælkevejsgalakse. Da LMC og SMC indeholderstort antal cepheider, kan de bruges til at kalibrere afstandsskalaen.

nylige fremskridt

teknologiske fremskridt har gjort det muligt for astronomer at overvinde en række af de andre tidligere vanskeligheder. Detektorer kaldet CCD ‘ er (ladekoblede enheder – som dem, der bruges i digitale kameraer) muliggjorde målinger af strålingsstrøm. Disse detektorer er også følsomme i infrarødbølgelængder. Støv er meget mere gennemsigtigt ved disse bølgelængder. Ved at måle strømninger vedflere bølgelængder var astronomer i stand til at korrigere for virkningerne af støv og gørmeget mere nøjagtige afstandsbestemmelser.

disse fremskridt muliggjorde en mere nøjagtig undersøgelse af de nærliggende galakser, der udgør den”lokale gruppe” af galakser. Astronomer observerede cepheider i både metal richinner-regionen i Andromeda-galaksen og dens metalfattige ydre region. (For en astronom er et “metal” ethvert element tungere end helium – det næst letteste element iperiodisk bord. Sådanne elementer produceres i stjerner og frigives i sidste ende iinterstellært medium, når stjernerne udvikler sig.) Dette arbejde viste, at egenskaberne af Cepheidsafhængig ikke følsomt af kemiske overflader. På trods af disse fremskridt kunne astronomer, begrænset af Jordens atmosfære,kun måle afstandene til nærmestegalakser. Ud over bevægelsen på grund af universets udvidelse har galakser”relative bevægelser” på grund af deres nabos tyngdekraft. På grund afdisse “ejendommelige bevægelser” skal astronomer måle afstandene til fjernegalakser, så de kan bestemme Hubble-konstanten.

forsøger at skubbe dybere ind i universet, har astronomer udviklet en række nyeteknikker til bestemmelse af relative afstande til galakser: disse uafhængige relativeafstandsskalaer er nu enige om bedre end 10%. For eksempel er der et meget stramt forhold,kaldet Tully-Fisher-forholdet, mellem rotationshastigheden af en spiralgalakse ogdens lysstyrke. Astronomer fandt også, at type Ia supernova, som menes at skyldes den eksplosive brænding af en hvid dværgstjerne, alle havde næsten samme toplysstyrke.Uden nøjagtige målinger af afstanden til et stort antal prototypegalakser kunne astronomer imidlertid ikke kalibrere disse relative afstandsmålinger. Således var de ikke i stand til at foretage nøjagtige bestemmelser af Hubble-konstanten.

i løbet af de sidste par årtier rapporterede førende astronomer ved hjælp af forskellige data værdierfor Hubble-konstanten, der varierede mellem 50 (km/sek)/Mpc og 100 (km/sek) / Mpc.At løse denne faktor med to uoverensstemmelser var et af de vigtigste udestående problemer inden for observationskosmologi.

Hubble Key Project

Nøgleprojektprogrammet skitserede de vigtigste mål for Hubble Space Telescope (HST). En af de vigtigste mål for HST var at færdiggøre Edvinhubbles program til måling af afstande til nærliggende galakser. Mens Hubble-Rumteleskopet er sammenligneligt i diameter med Hubbles teleskop på Mount Vilson, havde det fordelen ved at være over Jordens atmosfære, snarere end at være placeret på udkanten af Los Angeles. NASAs reparation af Hubble – Rumteleskopet gendannede sin visionog aktiverede Nøgleprojektprogrammet. Billederne nedenfor viser før og efter billeder afm100, en af de nærliggende galakser observeret af key project-programmet. Med Derfor HST var det meget lettere at opdage individuelle lyse stjerner i M100, et nødvendigt trin i studiet af Cepheidvariabler. Projektet kontrollerede også for at se, om egenskaberne vedcepheidvariabler er følsomme over for stjernesammensætning.

HST billede af M100 før og efter reparation

tekstlink til HST-pressemeddelelsen, der beskriver dette billede.

samlet set forsøgte nøgleprojektet at få afstande til 20 nærliggende galakser. Med denne store prøve kalibrerede og krydskontrollerede projektet et antal af de sekundære afstandsindikatorer. Fordi M100 er tæt nok på os til, at dens ejendommelige bevægelse er en signifikant fraktion af dens Hubble-ekspansionshastighed, brugte nøgleprojektteamet relative afstandsindikatorer til at ekstrapolere fra Virgo-klyngen, en nærliggende klynge af galakser, der indeholder 100, til den fjernere Coma-klynge og for at opnå en måling af Hubble-konstanten på 70 (km/sek)/Mpc, med en usikkerhed på 10%.

nøgleprojektbestemmelsen af Hubble-konstanten er i overensstemmelse med en rækkeuafhængige bestræbelser på at estimere Hubble-konstanten: en statistisk syntese byG.F. R. Ellis og hans samarbejdspartnere i den offentliggjorte litteratur gav en værdi mellem 66 og 82 (km/sek) / Mpc. Der var dog stadig ikke fuldstændig enighed om værdien afhubble konstant.

VMAP og Hubble-konstanten

ved at karakterisere den detaljerede struktur af de kosmiske mikrobølgebaggrundsvingninger har VMAP nøjagtigt bestemt de grundlæggende kosmologiske parametre, herunder Hubble-konstanten. Den nuværende bedste direkte måling af Hubble-konstanten er 73,8 km/sek/Mpc (give eller tage 2,4 km/sek / Mpc inklusive, både tilfældige og systematiske fejl), svarende til en usikkerhed på 3%. Hubble-konstanten estimeres til at være 70,0 km/sek/Mpc (give eller tage 2,2 km/sek / Mpc), også en måling på 3%. Dette forudsætter, at universet er rumligt fladt, hvilket er i overensstemmelse med alle tilgængelige data. Denne måling er helt uafhængig af traditionelle målinger ved hjælp af Cepheidvariabler og andre teknikker. Men hvis vi ikke antager fladhed, kan vi kombinere VANDKORTDATA med andre kosmologiske data for at få 69,3 km/sek/Mpc (give eller tage 0,8 km/sek/Mpc), en 1% løsning, der kombinerer forskellige slags målinger. Efter at have bemærket, at uafhængige observationer giver ensartede resultater, er det rimeligt at kombinere information for at få det bedste skøn over parametre.

dele af denne side blev tilpasset fra artiklen “universets alder”, D. N. Spergel, M. Bolte (UC, Santa Cruce) og Freedman (Carnegie Observatories). Proc. Natl.Acad. Sci. USA, Vol. 94, s.6579-6584, juni 1997.

yderligere læsning:

• mere om Hubble-konstanten fra Space Telescope Science Instituteherunder film.
• Freedman, vend L., “universets ekspansionshastighed og videnskab”, Scientific American, Nov. 1992.
• Osterbrock, D. E., Gvinn, J. A. & Brashear, R. S.,” Hubble og det udvidende univers”, Scientific American, juli 1993.