„Вселената в огледало“ (САЩ, 2008 г.): Откъс от книгата

Космическият телескоп Хъбъл в орбита

Космическият телескоп Хъбъл, показан тук на орбита, промени начина, по който хората виждат Вселената. (Кредит на изображението: STS-82 Crew/STScI/NASA)



Научният писател Робърт Цимерман е автор на „ Вселената в огледало: Сагата за космическия телескоп Хъбъл и визионерите, които са я построили “(2008 г., Princeton University Press). Книгата описва многодесетичната борба за вкарването на Хъбъл в космоса, хората, които се борят да го поддържат жив (често за сметка на собствената им кариера и личен живот), и невероятната наука, която е произвела.

Цимерман е автор и на три други книги за космическата наука и изследване, включително „ Битие: Историята на Аполон 8: Първият пилотиран полет към друг свят . '

По -долу е откъс от „Вселената в огледало“:



Когато астрономът Джон Хершел завърши изследването на небесата през 40 -те години на миналия век, той беше каталогизирал хиляди красиви, но мъгляви обекти, разпръснати навсякъде по небето сред безбройните звезди. За разлика от планетарните мъглявини, които често имат различни структури, заобикалящи специфични звезди и обикновено са групирани по равнината на Млечния път, тези „негалактични мъглявини“ обикновено изглеждаха като размити футболни топки, спирали или водовъртежи. През следващите сто години астрономите са озадачени за техния произход. Не само че никой не знаеше какво представляват, никой дори не беше сигурен дали са локални обекти в нашата галактика или далечни островни вселени, сравними с Млечния път. [ Космическият телескоп Хъбъл на 25: годишнина от снимката ]

„Вселената в огледало“ от Робърт Цимерман описва дългата история на Хъбъл и хората, които са го превърнали в реалност.(Изображение кредит: Принстънски университетски прес/Робърт Цимерман)



През 20 -те години на миналия век американският астроном Едуин Хъбъл най -накрая имаше инструмент за откриване. Използвайки 100-инчовия телескоп Хукър в Маунт Уилсън, Калифорния през 1924 г., той успя да разреши голям брой отделни звезди в няколко от по-големите негалактични мъглявини, доказвайки, че тяхната мъгла е причинена от милиарди звезди, а не от прах или газ. По -важното е, че в Голямата мъглявина в Андромеда около три дузини от тези звезди са променливи, като дванадесет са специален тип променлива звезда, наречена Цефеиди. Цефеиди са уникални с това, че тяхната присъща яркост или абсолютната величина е пряко свързана с дължината на техните пулсации. Колкото по -ярки са, толкова по -бавно пулсират.

Въз основа на честотата на пулса на цефеидите в Андромеда, Едуин Хъбъл може да изчисли абсолютната им яркост и от това разстоянието от Земята, което според него е около милион светлинни години. Скоро той открива цефеиди в редица други негалактични мъглявини, доказвайки, че и те са на много милиони светлинни години от нас. Въпреки че по -късните изследвания значително подобриха прогнозните разстояния до тези галактики, работата на Хъбъл даде доказателство, че Вселената е изпълнена с безброй колекции от звезди, големи, сякаш не по -големи от нашата домашна галактика, Млечния път.

Това изображение, направено от космическия телескоп Хъбъл, показва променливата звезда на Цефеида RS Puppis, която ритмично изсветлява и затъмнява в рамките на шестседмичен цикъл.



Това изображение, направено от космическия телескоп Хъбъл, показва променливата звезда на Цефеида RS Puppis, която ритмично изсветлява и затъмнява в рамките на шестседмичен цикъл.(Кредит на изображението: НАСА, ЕКА и екипът на Хъбъл наследство (STScI/AURA) -Сътрудник на Хъбъл/Европа; Признание: Х. Бонд (STScI и Пенсилванския държавен университет))

Това обаче не беше всичко. Дори когато Едуин Хъбъл направи това откритие, той забеляза странен феномен. Колкото по -далече беше една галактика, толкова по -бързо изглеждаше, че тази галактика отлетя от Млечния път.

Хъбъл открива това явление, като отбелязва червено отместване „на светлината, идваща от тези и други далечни галактики, както е съставено от други астрономи. Ако галактика или звезда се приближава към Земята, дължините на вълните на светлината, която излъчва, ще бъдат притиснати заедно от това движение, което ще ги направи по -къси и по този начин ще измести цвета на тази светлина към синия край на спектъра. И ако вместо това звездата се отдалечава от Земята, това движение ще разтегне светлинните вълни, така че цветът й да се измести към червения или по -дългия край на спектъра. Тъй като учените знаят точната дължина на вълната, при която елементите произвеждат линии в спектъра на звездата, ако видят някакво изместване на тези линии към синьото или червеното, те знаят, че звездата се движи и в каква посока. Размерът на смяната също ще им каже скоростта на това движение.

Разберете как Хъбъл остава на върха на астрономията в дълбокия космос през последните 20 години тук. [Вижте пълната инфографика за космическия телескоп Хъбъл тук.]

Разберете как Хъбъл остава на върха на астрономията в дълбокия космос през последните 20 години тук. [Вижте пълната инфографика за космическия телескоп Хъбъл тук. ](Изображение кредит: Карл Тейт, художник на инфографиката на demokratija.eu)

Хъбъл установи, че спектърът на почти всяка галактика е изместен към червеното. По -важното е, че колкото по -голямо е разстоянието, толкова по -голямо е червеното отместване. С други думи, Вселената се разширяваше.

Учените веднага разбраха, че това разширение всъщност не е движение. Млечният път не е центърът на Вселената, като всички други галактики бягат от нас в ужас. Вместо това пространството, в което всичко съществува, се разтяга.

Най-добрата и най-често използваната аналогия за описване на това явление е тази на балон. Издухайте балона нагоре наполовина. След това вземете маркер от филц и поставете точки по повърхността на балона, разположени на около 1 инч една от друга. Сега изпомпвайте повече въздух в балона. Докато правите това, точките ще се отдалечават една от друга, така че когато размерът на балона се удвои, пространството между всички съседни точки ще се удвои, преминавайки от един инч на два, с точки, които започват на два инча една от друга сега на четири инча и точки на четири инча един от друг сега разделени с осем инча. С други думи, разстоянията се увеличават линейно.

Ако съсредоточите окото си върху една точка, докато балонът нараства по размер, той ще изглежда така, сякаш е в центъра на разширение и всички други точки бягат от него. Повторете този експеримент, но се съсредоточете върху друга точка и тя ще изглежда в центъра.

По -важно е да се отбележи, че нито една от точките не се движи. Вместо , „пространството“, в което са вградени, се разширява , като ги отдалечава един от друг, докато расте. По същия начин галактиките в космоса всъщност не бягат една от друга. Вместо това, самото пространство, самата тъкан на вселената, в която те се намират, се разширява. Екстраполирайки това разширяване назад учените установиха, че Вселената изглежда има катаклизмично начало, което астрономът Фред Хойл нарече презрително Големия взрив.

Определянето на скоростта на разширяване би помогнало на учените да изчислят колко отдавна се е случил Големия взрив. Въпреки това, през десетилетията след първоначалната работа на Едуин Хъбъл астрономите затрудняват да измислят точна цифра. Наземните телескопи нямаха резолюция да видят цефеиди в повече от шепа галактики, на не повече от една или двеста милиона светлинни години от нас. Други инструменти за измерване на разстояния, като яркостта на галактиките, просто не бяха достатъчно надеждни или прецизни. В резултат на това оценките за възрастта на Вселената в края на 80 -те и началото на 90 -те години варират от 12 до 20 милиарда години. За по -точно измерване на скоростта на разширяване, която астрономите нарекоха константа на Хъбъл в чест на Едуин Хъбъл , изисква значително увеличение на разделителната способност, което би позволило измерванията на цефеидите в далечни галактики.

С други думи, измерването на точната възраст на Вселената изискваше телескоп над атмосферата. Когато беше изстрелян, една от основните мисии на космическия телескоп Хъбъл беше да отговори на този въпрос. Всъщност това беше основната причина астрономите да се съпротивляват да свиват огледалото на телескопа под 2,4 метра. По -малък от това и космическият телескоп не би могъл да види Цефеидите достатъчно далеч, за да разреши проблема.

След като космическият телескоп беше фиксиран, астрономите успяха да го използват, за да идентифицират променливите Цефеида в почти три дузини различни галактики в далечните купове галактики Дева, Форнакс и Лъв и успяха да стеснят диапазона от оценки за скоростта на разширяване до около десет процента. От това те успяха да изчислят, че Големият взрив се е случил преди приблизително 13,7 милиарда години, да даде или отнеме около милиард и половина години.

Но това не беше всичко. От всички открития, дошли с помощта на космическия телескоп Хъбъл, това, което вероятно е най -значимото, е това, което никой учен не очакваше: това разширяване на Вселената изглежда се ускорява , в огромни мащаби.

Преди средата на 90-те години астрономите се чудеха дали масата на Вселената е достатъчна, за да забави достатъчно разширяването, така че в крайна сметка да спре да расте и да се срути обратно върху себе си. Ако е така, Вселената ще се счита за „затворена“. Ако не, вселената беше „отворена“ и разширяването щеше да продължи завинаги, докато разстоянието между нашата галактика и всички нейни съседи беше толкова голямо, че вече не можехме да ги виждаме. И в двата случая астрономите предположиха, че разширяването се забавя от гравитацията. Точно както гравитацията ще накара отломките от експлозия да се забавят, докато излитат, масата на галактиките оказва сила върху разширяването, което също я забавя.

В средата на 90-те години два различни екипа от астрономи, Екипът за търсене на свръхнови звезди, ръководен от Брайън Шмид от Синджинг Пролетната обсерватория в Австралия, и Проектът за космология на свръхнови, ръководен от Сол Перлмутер от Националната лаборатория „Лорънс Бъркли“ в Калифорния, използва множество наземни телескопи, както и Хъбъл за търсене на възможно най-много далечни свръхнови тип Ia. Тъй като присъщата яркост на тези свръхнови може да бъде определена, астрономите могат да оценят разстоянието им с разумна точност в зависимост от видимата им яркост.

Свръхновата SN 2014J се вижда (вмъкната) на тази снимка от космическия телескоп Хъбъл, заснета на 31 януари 2014 г. Свръхновата, която беше открита на 21 януари, се намира в галактиката M82 на около 11,5 милиона светлинни години от Земята. Учените използват свръхновата, за да научат повече за това как белите джуджета могат да предизвикат такива катастрофални звездни експлозии.

Свръхновата SN 2014J се вижда (вмъкната) на тази снимка от космическия телескоп Хъбъл, заснета на 31 януари 2014 г. Свръхновата, която беше открита на 21 януари, се намира в галактиката M82 на около 11,5 милиона светлинни години от Земята. Учените използват свръхновата, за да научат повече за това как белите джуджета могат да предизвикат такива катастрофални звездни експлозии.(Кредит на изображението: НАСА, ЕКА, А. Губар (Стокхолмски университет) и Екипът на наследството на Хъбъл (STScI/AURA))

За учудване на учените от двата екипа, на по -големи разстояния свръхновите бяха по -тъмни от очакваното, с 25 процента, което означава, че те бяха по -далеч от очакваното и което означава, че през последните пет милиарда години скоростта на разширяване всъщност се увеличава. Сякаш помпата, принуждаваща въздуха да започне да работи по -бързо, когато балонът се увеличи.

Когато малко след това откритие попитах Марио Ливио, учен от Научния институт за космически телескопи, мислите му по въпроса, той не можа да не отбележи удивлението му. 'Това явление беше точно обратното на това, което бихме очаквали.' [Как космическият телескоп Хъбъл промени нашия възглед за Космоса]

Следователно астрономите приписват ускорението на нещо, което са нарекли „тъмна енергия“ (тъй като все още нямат представа какво е това), и са изчислили, че по някакъв начин отблъсква ефекта на гравитацията на големи разстояния. Освен това учените смятат, че тази мистериозна тъмна енергия съставлява почти две трети от Вселената.

И най -удивителното от всичко е, че самият Айнщайн е предсказал и отхвърлил съществуването му. През 1917 г. той беше вмъкнал в уравненията си нещо, което той нарече Космологична константа, за да накара тези уравнения да опишат статична вселена. Когато по -късно Едуин Хъбъл показа, че Вселената не е статична, а се разширява, Айнщайн се отказва от тази константа, като в крайна сметка я нарича „най -голямата грешка“, според физика Джордж Гамов. Осем десетилетия по -късно данните от космическия телескоп Хъбъл доказват, че Айнщайн всъщност е бил прав и че е необходим вариант на неговата космологична константа, за да може уравненията му да работят.

Вселената отново ни изненада. Както казва математическият биолог J.B.S. Халдейн веднъж написа: „Вселената е не само по -странна, отколкото предполагаме, но и по -странна, отколкото можем да предположим.“

КУПЕТЕ „Вселената в огледало“ от Робърт Цимерман за 19,95 долара >>>

Последвай ни @Spacedotcom , Facebook и Google+ .