Warto przeczytać

Od dawna astronomowie obserwowali przez teleskopy rozmyte i rozciągłe obiekty, zwane mgławicami. Bardzo długo sądzono, że są to obłoki gazu znajdujące się wewnątrz Drogi Mlecznej. Dopiero w pierwszej połowie XX wieku amerykański astronom Edwin Hubble udowodnił, że niektóre z tych mgławic to w rzeczywistości olbrzymie układy gwiezdne – galaktyki – znajdujące się bardzo daleko od Drogi Mlecznej. Galaktyki, związane siłami grawitacji, zawierają miliardy gwiazd. Gwiazdy poruszają się po orbitach eliptycznych wokół środka masy galaktyki. Nasze Słońce wraz z całym układem planetarnym należy do galaktyki zwanej Drogą Mleczną. Ma ona kształt wielkiego, płaskiego dysku. Oczywiście Drogi Mlecznej nie możemy ujrzeć z zewnątrz. Widzimy ją jako jasny pas na nocnym niebie, usiany gwiazdami. Możemy jednak przekonać się, jak wygląda galaktyka bardzo podobna pod względem budowy i wielkości do Drogi Mlecznej. To Galaktyka Andromedy – jedna z najbliższych sąsiadek Drogi Mlecznej (Rys. 1.). Na zdjęciu widzimy wygięte spiralnie ramiona, świadczące o wirowym ruchu galaktyki.

R14oET5GJRrbZ

Rys. 1. Ilustracja przedstawia zdjęcie galaktyki Andromedy. Na czarnym tle przestrzeni kosmicznej widoczne są jasne punkty. Jasne punkty są to galaktyki. W centralnej części ilustracji widoczne jest zbliżenie galaktyki Andromedy. Galaktyka Andromedy widoczna jest w postaci jasnego dysku pochylonego od kierunku poziomego w prawo i w górę. W centrum galaktyki widocznej w postaci jasnego dysku znajduje się jasny punkt. Jasny punkt jest to centrum galaktyki, w którym znajduje się największe skupisko gwiazd.

Hubble odkrył, że obserwowane galaktyki oddalają się od siebie, i to tym szybciej, im bardziej są oddalone.

Jak Hubble mógł zmierzyć prędkość ucieczki galaktyk? Posłużył się znanym zjawiskiem dotyczącym rozchodzenia się fal, zwanym zjawiskiem Dopplera. Gdy stoimy przy drodze, możemy po dźwięku poznać, że samochód właśnie nas mija. Dźwięk zbliżającego się samochodu jest wyższy, a w momencie mijania staje się niższy. Tłumaczymy to tym, że długość fali wysyłanej z oddalającego się źródła staje się większa, a częstotliwość mniejsza, więc słyszymy niższy dźwięk. Natomiast długość fali ze źródła zbliżającego się jest mniejsza, a częstotliwość większa i słyszymy dźwięk wyższy.

Podobnie jest ze światłem, które jest falą elektromagnetyczną. Widmo światła obejmuje wszystkie barwy tęczy: od światła czerwonego o największej długości fali do światła fioletowego o najmniejszej długości fali. Atomy każdego pierwiastka, na przykład wodoru, wysyłają światło o określonej długości fal, czyli określonej barwie. Promieniowanie dochodzące z oddalającej się galaktyki wykazuje tak zwane przesunięcie do czerwieni, czyli do fal o większej długości. Zjawisko to ilustruje Rys. 2. Górna część (Rys. 2a.) pokazuje widmo światła emitowanego przez atomy wodoru – są to 4 linie o barwach: fioletowej, niebieskiej, zielonej i czerwonej. Na dolnej części (Rys. 2b.) widzimy widmo wodoru pochodzące z odległej galaktyki. Widmo wodoru ma taki sam układ linii widmowych, ale wszystkie linie przesunięte są w kierunku fal dłuższych. Linia, która była podczas emisji niebieska, ma teraz barwę zieloną, a zielona – pomarańczową. Linia czerwona w ogóle nie jest widoczna, bo przesunęła się do podczerwieni. Im większe obserwujemy przesunięcie ku czerwieni, tym szybciej galaktyka, będąca źródłem promieniowania, oddala się od nas.

R1OK1duKzmteq

Rys. 2. Ilustracja podzielona jest na dwie części górną i dolną. Górna część oznaczona jest małą literą, a z nawiasem prawym. Dolna część oznaczona jest małą literą b z nawiasem prawym. Obie części ilustracji przedstawiają widmo światła emitowanego przez Atomy wodoru. W górnej części widoczne jest poziomy Czarny pasek. Na pasku tym widoczne są cztery kolorowe jasne pionowe prążki. Najbardziej z lewej widoczny jest cienki niebieski prążek. Dalej po prawej stronie widoczny jest gruby niebieski pionowy prążek. W centralnej części widoczny jest prążek zielony. Najbardziej po prawej stronie widoczny jest prążek cienki, czerwony. Proszki te odpowiadają długością fal emitowanych przez atom wodoru pozostający w spoczynku. W części mała litera BZ nawiasem prawem również widoczny jest tej samej długości czarne poziomy prostokąt. Na tle tego prostokąta również widoczne są cztery prążki odpowiadające długościom fal elektromagnetycznych emitowanych przez atom wodoru. Dolny czarny prostokąt jest przesunięty w prawo względem prostokąta górnego. Najbardziej po lewej stronie widoczny jest zielony, pionowy prążek. Jest on przesunięty względem zielonego proszka na górnym rysunku w lewo. Drugi od lewej jest prążek Gruby, zielony. Znajduje się on nieco sprawy i stronę względem zielonego prążka na górnym rysunku. Odpowiada on prążkowi niebieskiemu z Rysunku powyżej. Pomiędzy rysunkami widoczna jest pozioma, niebieska strzałka biegnąca od niebieskiego prążka na górnym Rysunku do zielonego prążka grubego nad rysunku dolnym. Strzałka ta symbolizuje przesunięciem długości fali dla galaktyki, która porusza się. Na rysunku Dolnym po prawej stronie od grubego zielonego prążka widoczny jest prążek czerwony. Znajduje się on nieco z lewej strony w stosunku do czerwonego prążka na rysunku dolnym. Odpowiada on zielonemu prążkowi rysunku górnego. Pomiędzy tymi proszkami zaznaczono zieloną strzałkę, poziomą skierowaną w prawo. Strzałka to symbolizuje zmianę długości fali emitowanej przez atomy wodoru dla galaktyki, która oddala się. Na Dolnym Rysunku po prawej stronie widoczny jest cienki czerwony prążek. Odległości pomiędzy prążkami na dolnym rysunku są takie same jak na rysunku górnym. Nieruchome atomy wodoru emitują takie same długości fal. Przesunięcia w długości fali wynikają z prędkości, z jaką galaktyka oddala się od Ziemi. Ma to związek z efektem Dopplera. Na podstawie przesunięć można wyznaczyć prędkość, z jaką galaktyka oddala się od Ziemi.

Niemal wszystkie galaktyki (z wyjątkiem kilku najbliższych) oddalają się od nas. Czyżby to znaczyło, że jesteśmy w środku Wszechświata? Oczywiście, że nie! Oddalanie się galaktyk tłumaczymy rozszerzaniem się przestrzeni Wszechświata, która unosi z sobą galaktyki. Można to porównać z kropkami na nadmuchiwanym baloniku. Od każdej kropki pozostałe oddalają się tym szybciej, im większa odległość je dzieli. Tak więc żadna z galaktyk nie stanowi środka Wszechświata. Można też powiedzieć, że środek Wszechświata mógłby równie dobrze znaleźć się w każdym punkcie.

Prawo Hubble’a wyrażamy wzorem:

gdzie $v$ jest prędkością oddalania się galaktyki, $r$ — jej odległością, $H_{0}$ — stałą Hubble’a. Wartość stałej Hubble’a wynosi $H_{0}$ = 70 (km/s)/Mpc. Prędkość ucieczki galaktyki wyrażamy w km/s, a odległość od niej w megaparsekachMegaparsekmegaparsekach (Mpc). Mpc to jednostka długości używana w astronomii równa 3,3 · 10Indeks górny 6⁶ lat świetlnych (lub 3,09 · 10Indeks górny 22²² m).

Stwierdzenie, że żaden obserwator nie jest wyróżniony, a Wszechświat z punktu widzenia każdego z nich wygląda tak samo, nosi nazwę zasady kopernikańskiej. Z zasady kopernikańskiej wynika, że skoro żaden obserwator nie jest wyróżniony, to nie ma sensu mówić o jakimś wyróżnionym punkcie we Wszechświecie, który byłby jego środkiem i od którego oddalałyby się wszystkie galaktyki. Każdy obserwator znajdujący się w dowolnej galaktyce stwierdzi, że wszystkie galaktyki oddalają się od niego z prędkością proporcjonalną do odległości. Dlatego Wielki Wybuch należy traktować jako rozszerzanie się przestrzeni, a nie oddalanie się galaktyk w pustej przestrzeni od jakiegoś jednego wyróżnionego punktu.

Warto też zauważyć, że rozszerzanie się przestrzeni Wszechświata zauważalne jest tylko w odpowiednio dużej skali. Zwiększają się odległości między galaktykami, ale nie rozszerza się Ziemia, Układ Słoneczny ani żadna z galaktyk. Na powiększanie się tych obiektów nie pozwala siłą grawitacji, która mocno je wiąże. Inaczej jest z promieniowaniem elektromagnetycznym. Ekspansja przestrzeni ma wpływ na promieniowanie. Długość jego fali rośnie wraz z rozszerzaniem się przestrzeni. Im dłużej trwa droga fotonu przez Wszechświat, tym większa staje się długość jego fali. Długość fali światła rośnie tyle razy, ile razy powiększa się odległość miedzy galaktyką, która wyemitowała światło, a miejscem jego rejestracji. Możemy wyrazić to zależnością:

gdzie $\lambda_{e}$ jest długością fali promieniowania wyemitowanego z odległej galaktyki, $\lambda$ – długością fali zarejestrowanej na Ziemi, $R$ – odległość galaktyki od Ziemi w momencie rejestracji, $R_{e}$ – odległość galaktyki od Ziemi w momencie emisji promieniowania (Rys. 3).

R1NqwektIE5iQ

Rys. 3. Ilustracja podzielona jest na dwie części, górną oraz dolną. Górna część opisana jest małą literą a i nawiasem prawym a dolna część opisana jest małą literą b i nawiasem prawym. Górna część ilustracji przedstawia rysunek na którym schematycznie przedstawiono kwant promieniowania elektromagnetycznego, emitowany pewną galaktykę w kierunku Ziemi. Na ilustracji widoczne są dwa czarne wiry symbolizujące galaktyki. Wiry widoczne są na tej samej wysokości, jeden obok drugiego. Lewy wir symbolizuje galaktykę w której znajduje się Ziemia. Prawy wir symbolizuje galaktykę, z której emitowany jest kwant promieniowania elektromagnetycznego. Galaktyki połączono poziomym, czarnym odcinkiem prostym, który symbolizuje odległość pomiędzy nimi w chwili emisji promieniowania. Odległość tę, opisano wielką literą R z indeksem dolnym mała litera e. Z prawej galaktyki emitowany jest kwant promieniowania elektromagnetycznego, który narysowano w postaci czerwonej falki w kształcie sinusoidy, biegnącej wzdłuż odcinka łączącego galaktyki. Długość fali opisano małą grecką literą lambda z indeksem dolnym mała litera e. Taka długość fali elektromagnetycznej odebrana zostałaby na Ziemi, gdyby galaktyki pozostawały w stałej odległości od siebie. Dolna część ilustracji opisana małą literą b i nawiasem prawym przedstawia rysunek, na którym wyemitowany przez na górnym rysunku kwant promieniowania elektromagnetycznego dociera do galaktyki, w której znajduje się Ziemia. Na ilustracji widoczne są dwa czarne wiry symbolizujące galaktyki. Wiry widoczne są na tej samej wysokości, jeden obok drugiego. Lewy wir symbolizuje galaktykę w której znajduje się Ziemia. Prawy wir symbolizuje galaktykę, z której emitowany jest kwant promieniowania elektromagnetycznego. Galaktyki połączono poziomym, czarnym odcinkiem prostym, który symbolizuje odległość pomiędzy nimi w chwili emisji promieniowania. Odległość tę opisano wielką literą R. Na dolnym rysunku odległość pomiędzy galaktykami jest większa niż na rysunku górnym, co oznacza, że galaktyki oddalają się od siebie. Na odcinku łączącym galaktyki widoczna jest czerwona falka w kształcie sinusoidy, która biegnie w kierunku lewej galaktyki. Falka znajduje się tuż przed lewą galaktyką. Symbolizuje ona promieniowanie elektromagnetyczne docierające do naszej galaktyki. Długość fali elektromagnetycznej, widocznej na dolnym rysunku opisana jest małą grecką literą lambda. Długość fali docierającej do Galaktyki jest dłuższa niż długość fali emitowanej przez galaktykę na górnej ilustracji. Stosunek długości fali docierającej do celu do długości fali emitowanej jest taki sam, jak stosunek początkowej odległości między galaktykami w chwili emisji promieniowania do odległości końcowej, w chwili gdy promieniowanie dociera do celu.

Słowniczek