26.1: Відкриття галактик

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78464

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Опишіть відкриття, які підтвердили існування галактик, що лежать далеко за межами Галактики Чумацького Шляху
Поясніть, чому галактики раніше називали туманностями і чому ми більше не включаємо їх до цієї категорії

Виростаючи в той час, коли космічний телескоп Хаббл обертається над нашими головами, а гігантські телескопи піднімаються на великих гірських вершині світу, ви можете бути здивовані, дізнавшись, що ми не були впевнені в існуванні інших галактик дуже довго. Сама думка про те, що існують інші галактики, раніше була спірною. Ще в 1920-х роках багато астрономів вважали, що Чумацький Шлях охоплює все, що існує у Всесвіті. Докази, знайдені в 1924 році, що означали, що наша Галактика не одна, були одним з великих наукових відкриттів ХХ століття.

Справа не в тому, що вчені не задавали питань. Вони поставили під сумнів склад і будову Всесвіту ще в вісімнадцятому столітті. Однак з телескопами, доступними в попередні століття, галактики виглядали як невеликі нечіткі плями світла, які було важко відрізнити від зоряних скупчень і газо-пилових хмар, які є частиною нашої власної Галактики. Всі предмети, які не були гострими точками світла, отримали однакову назву, туманності, латинське слово, що позначає «хмари». Оскільки їх точні форми часто було важко розгледіти, і ще не було розроблено жодних методів вимірювання їх відстаней, природа туманностей була предметом багатьох суперечок.

Ще у вісімнадцятому столітті філософ Іммануїл Кант (1724—1804) припустив, що деякі туманності можуть бути віддаленими системами зірок (інші Чумацькі Шляхи), але докази, що підтверджують цю пропозицію, були поза можливостями телескопів того часу.

Інші Галактики

До початку ХХ століття деякі туманності були правильно ідентифіковані як зоряні скупчення, а інші (наприклад, туманність Оріона) як газоподібні туманності. Більшість туманностей, однак, виглядали слабкими і невиразними, навіть з найкращими телескопами, а їх відстані залишилися невідомими. (Докладніше про те, як називаються такі туманності, до речі, див. У полі функцій на Назвіть туманності в Розділі 20.1 в розділі про міжзоряну матерію.) Якби ці туманності були поблизу, з відстанями, порівнянними з відстанями спостережуваних зірок, вони, швидше за все, були хмарами газу або групами зірок у нашій Галактиці. Якби, з іншого боку, вони були віддаленими, далеко за межі Галактики, вони могли б бути іншими зоряними системами, що містять мільярди зірок.

Щоб визначити, що таке туманності, астрономам довелося знайти спосіб вимірювання відстаней хоча б до деяких з них. Коли 2,5-метровий (100-дюймовий) телескоп на горі Вілсон в Південній Каліфорнії почав працювати, астрономи нарешті мали великий телескоп, необхідний для врегулювання суперечки.

Працюючи з 2,5-метровим телескопом, Едвін Хаббл зміг вирішити окремі зірки в декількох яскравіших спіральних туманностях, включаючи M31, велику спіраль в Андромеді (рис.\(\PageIndex{1}\)). Серед цих зірок він виявив деякі слабкі змінні зірки, які - коли він аналізував їхні криві світла - виявилися цефеїдами. Ось надійні показники, які Хаббл міг використовувати для вимірювання відстаней до туманностей, використовуючи техніку, піонерську Генрієтту Лівітт (див. Розділ про Небесні відстані). Після копіткої роботи він підрахував, що галактика Андромеди знаходиться приблизно в 900 000 світлових років від нас. На цій величезній відстані це повинна була бути окрема плеяда зірок, розташованих далеко за межами Чумацького Шляху. Сьогодні ми знаємо, що галактика Андромеди насправді трохи більше ніж вдвічі віддаленіша за першу оцінку Хаббла, але його висновок про її справжню природу залишається незмінним.

альт — Малюнок Галактики\(\PageIndex{1}\) Андромеди. Також відома за номером каталогу M31, галактика Андромеда - це велика спіральна галактика, дуже схожа за зовнішнім виглядом і трохи більша за нашу власну Галактику. На відстані близько 2,5 мільйонів світлових років Андромеда - це спіральна галактика, найближча до нашої власної в космосі. Тут його видно з двома його супутниковими галактиками, M32 (зверху) і M110 (знизу).

Ніхто в історії людства ніколи не вимірював таку велику відстань. Коли папір Хаббла про відстані до туманностей була прочитана перед засіданням Американського астрономічного товариства в перший день 1925 року, вся кімната спалахнула стоячою овацією. У вивченні Всесвіту почалася нова ера, і щойно народилася нова наукова галузь - позагалактична астрономія.

Едвін Хаббл: Розширення Всесвіту

Син страхового агента Міссурі Едвін Хаббл (рис.\(\PageIndex{2}\)) закінчив середню школу у віці 16 років. Він досяг успіху в спорті, виграючи літери в треку і баскетбол в Чиказькому університеті, де вивчав як науку, так і мови. І батько, і дідусь хотіли, щоб він вивчав право, однак, і він піддався тиску сім'ї. Він отримав престижну стипендію Родса в Оксфордському університеті в Англії, де вивчав право з лише середнім ентузіазмом. Повернувшись до США, він провів рік, викладаючи фізику середньої школи та іспанську мову, а також тренував баскетбол, намагаючись визначити напрямок свого життя.

Потяг астрономії в кінцевому підсумку виявився занадто сильним, щоб чинити опір, і тому Хаббл повернувся до Чиказького університету для випускної роботи. Подібно до того, як він збирався закінчити свій диплом і прийняти пропозицію працювати на найближчим часом 2,5-метровому телескопі, Сполучені Штати вступили в Першу світову війну, і Хаббл зарахований в якості офіцера. Хоча війна закінчилася до того часу, коли він прибув до Європи, він отримав більше офіцерської підготовки за кордоном і насолоджувався коротким часом подальшого астрономічного вивчення в Кембриджі, перш ніж його відправили додому.

У 1919 році, у віці 30 років, він приєднався до персоналу гори Вілсон і почав працювати з найбільшим у світі телескопом. Дозрілий досвідом, енергійний, дисциплінований і вмілий спостерігач, Хаббл незабаром встановив деякі найважливіші ідеї в сучасній астрономії. Він показав, що існують інші галактики, класифікував їх на основі їх форм, знайшов закономірність їх руху (і таким чином поставив поняття розширюється Всесвіту на тверду спостережливу основу) і розпочав довічну програму з вивчення розподілу галактик у Всесвіті. Хоча деякі інші побачили шматочки головоломки, саме Хаббл склав все це разом і показав, що розуміння великомасштабної структури Всесвіту можливо.

Його творчість принесла Хабблу велику популярність і безліч медалей, нагород і почесних ступенів. Коли він став більш відомим (він був першим астрономом, який з'явився на обкладинці журналу Time), він і його дружина насолоджувалися і культивували дружбу з кінозірками та письменниками в Південній Каліфорнії. Хаббл зіграв важливу роль (якщо ви помилуєтеся за каламбур) у плануванні та будівництві 2,5-метрового телескопа на горі Паломар, і він почав використовувати його для вивчення галактик, коли помер від інсульту в 1953 році.

Коли астрономи побудували космічний телескоп, який дозволив би їм розширити роботу Хаббла на відстані, про які він міг тільки мріяти, здавалося природним назвати його в його честь. Було доречно, що спостереження за допомогою космічного телескопа Хаббла (і його фундаментальної роботи з розширення Всесвіту) сприяли Нобелівській премії з фізики 2011 року, даної за відкриття того, що розширення Всесвіту прискорюється (тема, яку ми розширимо в главі про Великий вибух).

Резюме

Слабкі зоряні скупчення, хмари світиться газу і галактики все з'явилися як слабкі плями світла (або туманності) в телескопах, доступних на початку ХХ століття. Лише тоді, коли Хаббл виміряв відстань до галактики Андромеди за допомогою цефеїдних змінних з гігантським 2,5-метровим відбивачем на горі Вілсон в 1924 році, було встановлено існування інших галактик, подібних до Чумацького Шляху за розміром і змістом.