Astronomie

Galaxii și universul în expansiune

Einstein și-a aplicat aproape imediat teoria gravitației asupra universului în ansamblu, publicând prima sa lucrare cosmologică în 1917. Deoarece nu cunoștea prea bine lucrările recente în astronomie, a presupus că universul este static și neschimbat. Einstein a presupus că materia a fost distribuită uniform în întregul univers, dar nu a putut găsi o soluție statică la ecuațiile sale de câmp. Problema era că gravitația reciprocă a întregii materii din univers ar tinde să facă contractul universului. Prin urmare, Einstein a introdus un termen suplimentar care conține un factor Λ, „constanta cosmologică”. Noul termen oferea o forță de respingere cosmică universală, care ar putea acționa la distanțe mari pentru a contracara efectele gravitației. Când a aflat ulterior despre extinderea universului, Einstein a descris constanta cosmologică drept cea mai mare gafă a carierei sale. (Dar constanta cosmologică a revenit în cosmologia sfârșitului secolului XX și secolului XXI. Chiar și atunci când Einstein a greșit, a fost adesea pe ceva profund.)

Soluția statică a lui Einstein a reprezentat un univers de volum finit, dar fără margini, întrucât spațiul se curbează înapoi. Astfel, un călător imaginar ar putea călători pentru totdeauna în linie dreaptă și nu ar putea ajunge niciodată la o margine a universului. Spațiul are o curbură pozitivă, astfel încât unghiurile dintr-un triunghi se ridică la mai mult de 180 °, deși excesul ar fi evident numai în triunghiuri de dimensiuni suficiente. (O analogie bidimensională bună este suprafața Pământului. Are o suprafață finită, dar nu are margini.)

La începutul secolului XX, majoritatea astronomilor profesioniști credeau în continuare că Calea Lactee era în esență același lucru ca universul vizibil. O minoritate credea într-o teorie a universurilor insulare - că nebuloasele spiralelor sunt sisteme enorme de stele, comparabile cu Calea Lactee și sunt împrăștiate prin spațiu, cu distanțe goale vaste între ele. O obiecție față de teoria insulei-univers a fost aceea că foarte puține spirale sunt văzute în apropierea planului Căii Lactee, așa-numita zonă de evitare. Astfel, spiralele trebuie să fie într-un fel o parte a sistemului Calea Lactee. Dar astronomul american Heber Curtis a subliniat că unele spirale care pot fi privite fără margini conțin, evident, cantități uriașe de praf în planurile lor „ecuatoriale”. De asemenea, se poate aștepta ca Calea Lactee să aibă cantități mari de praf pe întreg planul său, ceea ce ar explica de ce multe spirale slabe nu pot fi văzute acolo; vizibilitatea este pur și simplu întunecată la latitudini galactice mici. În 1917, Curtis a găsit, de asemenea, trei novae pe fotografiile sale cu spirale; slăbiciunea acestor novae presupunea că spiralele erau la distanțe mari de Calea Lactee.

Caracterul static al universului a fost repede contestat. În 1912, la Observatorul Lowell din Arizona, astronomul american Vesto M. Slipher începuse să măsoare viteza radială a nebuloaselor spiralate. Prima spirală pe care a examinat-o Slipher a fost Nebula Andromeda, care s-a dovedit a fi înălțată în mod bluesh - adică îndreptându-se spre Calea Lactee - cu o viteză de apropiere de 300 km (200 mile) pe secundă, cea mai mare viteză măsurată vreodată pentru orice cerere. obiectează până la acel moment. Până în 1917, Slipher avea viteze radiale pentru 25 de spirale, unele de până la 1.000 km (600 mile) pe secundă. Obiectele care se deplasează cu asemenea viteze ar putea aparține cu greu Calea Lactee. Deși câțiva au fost blueshift, majoritatea copleșitoare au fost redshifted, ceea ce corespunde mișcării de la Calea Lactee. Astronomii nu au concluzionat însă imediat că universul se extinde. Mai degrabă, deoarece spiralele lui Slipher nu erau distribuite uniform în jurul cerului, astronomii au folosit datele pentru a încerca să deducă viteza Soarelui în raport cu sistemul spiralelor. Majoritatea spiralelor lui Slipher se aflau pe o parte a Calea Lactee și se retrăgeau, în timp ce câțiva erau pe cealaltă parte și se apropiau. Pentru Slipher, Calea Lactee a fost ea însăși o spirală, mișcându-se în raport cu un câmp mai mare de spirale.

În 1917 matematicianul olandez Willem de Sitter a găsit o altă soluție cosmologică aparent statică a ecuațiilor de câmp, diferită de cea a lui Einstein, care arăta o corelație între distanță și redshift. Deși nu era clar că soluția de Sitter ar putea descrie universul, întrucât era lipsit de materie, acest lucru i-a motivat pe astronomi să caute o relație între distanță și redshift. În 1924, astronomul suedez Karl Lundmark a publicat un studiu empiric care a dat o relație aproximativ liniară (deși cu o mulțime de împrăștiere) între distanțele și vitezele spiralelor. Dificultatea constă în cunoașterea suficientă a distanțelor. Lundmark a folosit novae care au fost observate în Nebula Andromeda pentru a stabili distanța acestei nebuloase, presupunând că aceste novae ar avea aceeași luminozitate absolută medie ca novae pe Calea Lactee ale cărei distanțe erau aproximativ cunoscute. Pentru spirale mai îndepărtate, Lundmark a invocat presupunerile grosolane conform cărora aceste spirale trebuiau să aibă același diametru și luminozitate ca Nebula Andromeda. Astfel, novae a funcționat ca lumânări standard (adică obiecte cu o luminozitate definită), iar pentru spirale mai îndepărtate, spiralele în sine au devenit lumânarea standard.

Din partea teoretică, între 1922 și 1924 matematicianul rus Aleksandr Friedmann a studiat soluții cosmologice nestatice la ecuațiile lui Einstein. Acestea au depășit modelul lui Einstein, permițând extinderea sau contracția universului și dincolo de modelul lui Sitter, permițând universului să conțină materie. De asemenea, Friedmann a introdus modele cosmologice cu curbură negativă. (Într-un spațiu curbat negativ, unghiurile unui triunghi se ridică la mai puțin de 180 °.) Soluțiile lui Friedmann au avut un impact imediat imediat, parțial din cauza morții sale timpurii în 1925 și parțial pentru că nu a legat lucrarea sa teoretică cu observații astronomice. Nu a ajutat faptul că Einstein a publicat o notă care pretindea că lucrarea din 1922 a lui Friedmann conține o eroare fundamentală; Ulterior, Einstein a retras această critică.