Ο νόμος του Χάμπλ (Hubble)

Η σύγχρονη παρατηρησιακή κοσμολογία ξεκίνησε ουσιαστικά από μια ανακάλυψη του Edwin Hubble. Η ανακάλυψη δημοσιεύθηκε το 1929, σ’ ένα άρθρο με τίτλο «Μια σχέση ανάμεσα στην απόσταση και την ακτινική ταχύτητα των εξωγαλαξιακών νεφελωμάτων», στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ.

Εκείνο που ανακάλυψε ο Hubble προέκυψε μετά από πολυετή μελέτη των φασμάτων των γαλαξιών, την οποία είχε αρχίσει με τον V. M. Slipher το 1914.  Στα φάσματα αυτά εμφανίζονται οι σκοτεινές γραμμές απορρόφησης.

Ας ξεκαθαρίσουμε πρώτα, που οφείλονται αυτές οι σκοτεινές γραμμές. Οι γραμμές Fraunhofer, όπως ονομάζονται, ανακαλύφθηκαν το 1814 από τον Josheph von Fraunhofer και αποτελούσαν μυστήριο για περισσότερο από έναν αιώνα. Αυτό το μυστήριο λύθηκε μόνο μετά τη θεμελίωση της κβαντικής θεωρίας, η οποία έφερε επανάσταση στο θεωρητικό πλαίσιο της φυσικής. Φανταστείτε ένα αέριο π.χ. ατόμων υδρογόνου, το οποίο παρεμβάλεται στην πορεία της ηλιακής ακτινοβολίας. Τα άτομα του υδρογόνου, σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, απορροφούν (και εκπέμπουν) φωτόνια συγκεκριμένης ενέργειας (άρα και μήκους κύματος).
Ως αποτέλεσμα της απορρόφησης δημιουργείται «τρύπα» σ’ αυτό το μήκος κύματος της ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία θα εμφανιστεί ως σκοτεινή γραμμή στο φωτεινό φάσμα. Οι σκοτεινές γραμμές αυτές είναι οι γραμμές απορρόφησης. Το φως του ήλιου ή άλλων άστρων και γαλαξιών περιέχει γραμμές απορρόφησης που οφείλονται στην αέρια ύλη που βρίσκεται στην επιφάνειά τους. Οι γραμμές αυτές μας αποκαλύπτουν την χημική σύσταση των άστρων, διότι κάθε στοιχείο έχει – τα δικά του δακτυλικά αποτυπώματα – τις δικές του φασματικές γραμμές εκπομπής και απορρόφησης.

Αέριο Υδρογόνο: (πάνω) Γραμμικό φάσμα εκπομπής. Όπως όλα τα στοιχεία, το υδρογόνο εκπέμπει φωτόνια συγκεκριμένου μήκους κύματος – (κάτω) Φάσμα απορρόφησης. Απορροφά φωτόνια ίδιου μήκους κύματος με τα φωτόνια εκπομπής.

Για να κατανοήσουμε τη σπουδαιότητα της ανακάλυψης του Χάμπλ, ας παρατηρήσουμε το παρακάτω σχήμα που περιέχει φάσματα φωτός από άστρα και γαλαξίες.

Το πρώτο (από κάτω) φάσμα ανήκει σε μια εργαστηριακή πηγή. Όσο πιο πάνω πηγαίνουμε συναντάμε φάσματα από πιο μακρυνούς γαλαξίες. Σε όλα τα φάσματα  εμφανίζονται οι σκοτεινές γραμμές απορρόφησης. Παρατηρούμε ότι στο φως των πιο απομακρυσμένων άστρων και γαλαξιών, οι γραμμές απορρόφησης που οφείλονται σε συγκεκριμένο στοιχείο, είναι όλο και περισσότερο μετατοπισμένες προς το ερυθρό. Γιατί συμβαίνει αυτό; Εδώ υπεισέρχεται το φαινόμενο Ντόπλερ (Doppler). Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό το μήκος κύματος (και η συχνότητα) ενός κύματος μεταβάλλεται ανάλογα με τη σχετική ταχύτητα μεταξύ πηγής και παρατηρητή. (Ο ήχος της σειρήνας ενός περιπολικού που ακουμε όταν αυτό μας πλησιάζει, είναι διαφορετικός από τον ήχο που ακούμε όταν αυτό μας προσπεράσει.) Οι μετατοπισμένες γραμμές απορρόφησης που παρατηρούνται στο φως απομακρυσμένων γαλαξιών, οφείλονται στο γεγονός ότι οι πηγές αυτού του φωτός – οι γαλαξίες – απομακρύνονται από μας. Το μήκος κύματος (και η συχνότητα) του φωτός αλλάζει εξαιτίας της ταχύτητας απομάκρυνσης των γαλαξιών. Μετρώντας το μήκος αυτής της «μετατόπισης»  – την μεταβολή δηλαδή του μήκους κύματος της πηγής ο νόμος του Doppler μας υπολογίζει την ταχύτητα απομάκρυνσης.
Ο Χάμπλ ανακάλυψε ότι η ταχύτητα απομάκρυνσης ενός γαλαξία από εμάς είναι ανάλογη της απόστασής του από μας.

Το διάγραμμα που τον οδήγησε στο συμπέρασμα αυτό φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.
(Η εκτίμηση της απόστασης των γαλαξιών δεν ήταν εύκολη υπόθεση και έχει σχέση με άστρα μεταβλητής λαμπρότητας, τους μεταβλητούς Κηφείδες. Για το θέμα αυτό γράφουμε ΕΔΩ).
Η εξίσωση που περιγράφει το νόμο του Χαμπλ είναι

v = H d

όπου
v η ταχύτητα απομάκρυνσης του γαλαξία
d η απόσταση του γαλαξία και
Η μια σταθερά που ονομάζεται σταθερά του Χαμπλ.
Από το νόμο του Χαμπλ προέκυψε το παρακάτω αποτέλεσμα: Σε οποιαδήποτε διεύθυνση κι αν κοιτάξουμε, βλέπουμε γαλαξίες να απομακρύνονται από εμάς και, όσο πιο απομακρυσμένοι είναι οι γαλαξίες, τόσο ταχύτερα κινούνται. Δεδομένου ότι ο γαλαξίας μας δεν κατέχει μια ιδιαίτερη θέση στο σύμπαν, την ίδια εικόνα θα είχαμε αν παρατηρούσαμε το σύμπαν από έναν άλλο γαλαξία. Θα πρέπει συνεπώς να φανταστούμε ότι διαστέλλεται ολόκληρο το σύμπαν, στο οποίο περιέχονται οι γαλαξίες. Ένα γαστρονομικό ανάλογο του προβλήματος είναι το ψήσιμο ενός κέικ που περιέχει καρύδια. Κατά τη διάρκεια του ψησίματος η ζύμη διαστέλλεται και τα καρύδια απομακρύνονται μεταξύ τους. Επομένως, ένα φυσικό συμπέρασμα από το νόμο του Χαμπλ είναι ότι το σύμπαν διαστέλλεται.

ΠΗΓΕΣ
«A RELATION BETWEEN DISTANCE AND RADIAL VELOCITY AMONG EXTRA-GALACTIC NEBULAE»,
Edwin Hubble, Proc Natl Acad Sci U S A. 1929 March 15; 15(3): 168–173.
«Τα επτά θαύματα του Σύμπαντος», Jayant Narlikar, εκδόσεις Π. Τραυλός
planck.caltech.edu