Historie objevu Hubbleova zákona Vladimír Štefl, ÚTFA, PřF MU

Transkript

1 Historie objevu Hubbleova zákona Vladimír Štefl, ÚTFA, PřF MU Již od dob Williama Herschela ( ) byly na obloze pozorovány a studovány,,mlhoviny. K objasnění jejich podstaty byla vyzdvižena řada hypotéz, k definitivnímu vyřešení problematiky však chyběly podrobnější pozorovací údaje. Teprve počátkem 20. století astronomické přístroje začaly umožňovat hlubší výzkum těchto objektů. Astronomové vytyčili řadu otázek, na něž hledali odpovědi: Jaká je podstata mlhovin a jak se pohybují? Můžeme určit jejich vzdálenosti a prostorové rozložení? Existuje souvislost mezi vzdáleností a rychlostí pohybu? Polemika o podstatě mlhovin měla být shrnuta a objasněna v dubnu 1920 v tzv. Velké debatě ve Washingtonu mezi známými astronomy Harlowem Shapleym ( ) z observatoře Mount Wilson a Heberem Doustem Curtisem ( ) z Lickovy observatoře. Závěry vědecké diskuse obou můžeme stručně shrnout jejich vyjádřeními. Shapley: studiem prostorového rozložení kulových hvězdokup zjistil polohu středu Galaxie a její rozměry, vesmír je tvořen naší Galaxií, spirální mlhoviny (galaxie) jsou blízká plynná mračna v Galaxii, vesmír je velký. Curtis: vesmír je složen z mnoha galaxií jako je naše, Slunce leží v blízkosti středu jedné z galaxií, vesmír je malý. Od počátku 20. století začali astronomové určovat radiální rychlosti jednotlivých mlhovin galaxií. Průkopníkem výzkumu byl Vesto Melvin Slipher ( ) na Lowellově observatoři v Arizoně. Dne 4. prosince 1912 po čtrnácti hodinové expozici získal spektrum galaxie M 31, zjistil radiální rychlost km.s -1, tedy mlhovina se pohybovala k nám. V roce 1914 již měl k dispozici na čtyřicet spekter mlhovin, u patnácti z nich se mu podařilo stanovit radiální rychlost. Většina z nich se od nás vzdalovala. Roku 1917 soubor radiálních rychlostí obsahoval dvacet pět hodnot, z toho dvacet jedna kladných, v intervalu ( ) km.s -1. Obdobně postupoval na observatoři Mount Wilson astronom Milton Lasell Humason ( ), první výsledky radiálních rychlostí publikoval ve dvacátých létech 20. století. V Evropě Carl Wilhelm Wirtz ( ), Knut Lundmark ( ) současně s astronomy z USA postupně identifikovali v mlhovinách různé typy hvězd, které bylo možné využít ke stanovení jejich vzdálenosti.

2 Nejvýznamnějším z nich byl americký astronom Edwin Powell Hubble ( ), viz obr. 1. V mládí čtenář knih Julese Verna, sportovec - atlet, basketbalista a boxer. V Chicagu vystudoval fyziku BS, byl asistentem u R. A. Millikana, A. Michelsona. Následně vystudoval právo MA v Oxfordu. Po návratu z I. světové války r začal pozorovat na observatoři Mount Wilson nad Pasadenou. Svoji disertaci z roku 1920 Photographia Investigation of Faint Nebulae - Fotografický výzkum slabých mlhovin věnoval studiu mlhovin. Soustředil se na výzkum tří mlhovin (galaxií) M 31, M 33, NGC Hubble konstatoval, že,,vnější části mlhovin lze rozložit na jednotlivé hvězdy. K převážně sám získal na dvě stě fotografických desek mlhovin, zjistil příkladně v M cefeid, 46 nov, v M cefeid. Při výzkumu cefeid vycházel z předpokladu o jejich shodných vlastnostech v celém vesmíru a neexistenci výrazné absorpce světla. Začátkem října 1923 Hubble objevil cefeidu s periodou P = 31,415 dne, viz obr.2. Stanovená světelná křivka zaslaná v dopise Shapleymu je na obr. 3. V lednu roku 1929 shrnul Hubble dosavadní výsledky svého výzkumu mlhovin do článku,

3 viz titulní list s českým názvem Vztah mezi vzdáleností a radiální rychlostí mimogalaktických mlhovin. V článku pro určení vzdáleností mlhovin do 500 kpc použil cefeidy, u větších vzdáleností novy a modré obry. Radiální rychlosti mlhovin z 90 % stanovil Slipher, zbývající Humason. Hubble v článku předložil v grafu obr. 4 dvě řešení dvě přímky, s konst. první (465 ± 50) km.s -1 Mpc -1, druhá (513 ± 60) km.s - 1 Mpc -1. Označení je následující jednotlivé galaxie - plná čára, skupiny galaxií - přerušovaná čára, + průměr pro 22 galaxií s nepřesně známou vzdáleností. Svoji práci Hubble chápal jako první představení problému, navrhl směr dalšího výzkumu, v závěru článku uvádí:,,výsledky stanovují přibližně lineární vztah mezi rychlostmi a vzdálenostmi mlhovin, pro které byly dříve publikovány radiální rychlosti a vztah se jeví převládající v rozložení rychlostí. Aby se podařilo rozřešit problém pro mnohem větší vzdálenosti Humason na Mount Wilson zahájil program stanovení rychlostí nejvzdálenějších galaxií, jenž mohou být spolehlivě pozorovány. Jak ukázala pozdější detailní analýza, práce obsahoval nepřesnosti, z nichž vyzdvihujeme: 1.Závislost perioda zářivý výkon byla stanovena nepřesně, ve skutečnosti cefeidy byly mnohem jasnější, než se předpokládalo r. 1929, existují odlišné závislosti pro různé typy cefeid 2.Ve vzdálených galaxiích v některých případech byla provedena špatná identifikace objektů, autor zaměnil hvězdy za oblasti H II. Hubble odvodil svůj vztah rudý posuv - vzdálenost z dnešního pohledu pouze pro malé vzdálenosti, rozptyl hodnot činil podstatnou část měřené veličiny. Při malých vzdálenostech se uplatňují výrazněji náhodné rychlosti galaxií. V dalším období Hubble společně s Humasonem postupně zvětšovali rozsah vzdáleností

4 mlhovin a určených radiálních rychlostí. Ve společném článku z roku 1931 shrnuli další výzkum do článku s českým názvem Závislost rychlost vzdálenost pro extragalaktické mlhoviny. Hubble určoval vzdálenosti galaxií pomocí cefeid a jasných hvězd, Humason stanovoval radiální rychlosti, celkem rozšířili soubor o 46 mlhovin. Srovnání obou diagramů r r je na následujících obr. 5, 6. Při vzdálenosti 18krát větší než v r autoři konstatovali, že závislost rychlost - vzdálenost lze považovat za obecnou charakteristikou pozorované oblasti prostoru, H 560 km.s -1 Mpc -1. Humason v roce 1936 publikoval samostatně článek s českým názvem Pozorované radiální rychlosti 100 extragalaktických mlhovin. Do něho zařadil údaje o radiálních rychlostech a vzdálenostech dalších 35 nově zkoumaných mlhovin, nečlenů kup galaxií, celkově zpracoval údaje o 100 galaxií. Rekordní hodnotou stanovené rychlosti km.s -1 dosáhl limitní možnost 100 palcového (D = 2,5 m) dalekohledu na observatoři Mount Wilson. Shrnující prací v badání mlhovin je Hubbleova kniha z roku 1936 Realm of Nebulae, tedy Říše mlhovin, titulní stránka viz obr. 7, v které je mimo jiných podávána definitivní klasifikace galaxií, zaveden pojem Místní soustavy galaxií, upřesněna hodnota Hubbleovy konst. Rozložení tehdy zkoumaných galaxií v prostoru je zachyceno na obr. 8.

5 Příspěvek se zaměřil pouze pozorovací astronomií, která však samozřejmě má kosmologické implikace, jejichž interpretací se zabývá obecná teorie relativity. To je však další neméně zajímavá historie. Význam Hubbleovy osobnosti při výzkumu galaxií shrnujeme do třech základních směrů. a. Identifikace jednotlivých typů hvězd cefeid, nov, definitivní rozlišení vnějších galaxií. b. Hubbleův zákon. c. Vytvoření klasifikace galaxií. Literatura: [ 1 ] Hubble, E. P.: A relation between distance and radial velocity among extragalactic nebulae. Proceedings National Academy of Sciences vol. 15, 1929, p [ 2 ] Hubble, E. P., M. L. Humason.: The velocity - distance relation among extra-galactic nebulae. ApJ 74 (1931), p [ 3 ] Humason, M. L.: The apparent radial velocities of 100 extra - galactic nebulae. ApJ 83 (1936), p [ 4 ] Hubble, E.: The Realm of Nebulae. Yale University Press, New Haven [ 5 ] Grygar, J.: Dějiny moderní kosmologie. Ostrava [ 6 ] Šarov, A. S., Novikov, I. D.: Čelověk otkryvšij vzryv Vselennoj. Nauka, Moskva 1989.