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. Galaktyka Andromedy, podobnie jak Droga Mleczna, jest typową galaktyką spiralną. Zdjęcie: NASA/JPL‑Caltech.
Źródło: dostępny w internecie: https://www.nasa.gov/mission_pages/galex/pia15416.html [dostęp 19.05.2022 r.].

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. a) Widmo światła emitowanego przez atomy wodoru; b) Widmo wodoru emitowane w galaktyce oddalającej się z wielką prędkością, a obserwowane na Ziemi.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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 jest prędkością oddalania się galaktyki, — jej odległością, — stałą Hubble’a. Wartość stałej Hubble’a wynosi = 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 6 lat świetlnych (lub 3,09 · 10Indeks górny 22 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 jest długością fali promieniowania wyemitowanego z odległej galaktyki, – długością fali zarejestrowanej na Ziemi, – odległość galaktyki od Ziemi w momencie rejestracji, – odległość galaktyki od Ziemi w momencie emisji promieniowania (Rys. 3).

R1NqwektIE5iQ
Rys. 3. a) W momencie emisji promieniowania o długości fali λ e odległość między galaktykami wynosiła Re; b) Gdy promieniowanie dotarło do drugiej galaktyki, długość fali zwiększyła się tyle samo razy, co odległość między galaktykami.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Słowniczek

Parsek [pc]
Parsek [pc]

(ang.: parsec) jednostka odległości używana w astronomii. Jest to odległość, z jakiej połowa wielkiej osi orbity ziemskiej (czyli 1 j.a.) jest widoczna jako łuk (na firmamencie obserwującego) o długości 1 sekundy kątowej. 1 pc = 3,086 · 10Indeks górny 16 m.

Megaparsek
Megaparsek

(ang.: megaparsec) jednostka odległości we Wszechświecie. 1 Mpc = 10Indeks górny 6 pc= 3,09 · 10Indeks górny 22 m.