Hūbla–Lemaitras likums: Visuma izplešanās un Hūbla konstante (H0)

Uzzini Hūbla–Lemaitras likuma būtību, Hūbla konstantes mērījumus un to ietekmi uz Visuma izplešanos — precīzi dati, vēsturiskie atklājumi un mūsdienu strīdi.

Hūbla–Lemaitras likums (bieži saukts arī par Hūbla likumu) apraksta novērojumu, ka tāliem Visuma objektiem ir redzama sarkanā nobīde un ka to attālināšanās ātrums ir saistīts ar attālumu. Oriģinālais teksts ilustrēja šo ideju šādi:

1. Visiem dziļā kosmosā novērotajiem objektiem ir doplera nobīde - izmērītais ātrums attiecībā pret Zemi un viens pret otru;
2. Galaktiku, kas attālinās no Zemes, ar Doplera nobīdi izmērītais ātrums ir proporcionāls to attālumam no Zemes un visiem pārējiem starpzvaigžņu ķermeņiem.

Kas tas nozīmē praksē

Vienkāršoti izsakot, Hūbla likums nosaka, ka galaktikas, kas atrodas tālāk no mums, attālinās ātrāk nekā tuvākās. Šo sakarību var pierakstīt kā vienādojumu v = H0 D, kur:

• v — galaktikas recesijas ātrums (parasti izteikts km/s), kas novērojams no sarkanās nobīdes;
• D — "īstais attālums" līdz galaktikai (dažādiem mērījumiem izmanto dažādas attāluma definīcijas — sk. Īstā attāluma lietojums);
• H0 — Hūbla konstante, proporcionāls koeficients, kas nosaka izplešanās ātrumu pašreizējā laikā.

H0 parasti izsaka kā (km/s)/Mpc (kilometri sekundē uz megaparsecu). 1 megaparseks (Mpc) = 3,09×10¹⁹ km. Hūbla konstantes apgrieztais lielums apmēram dod vienības, kas saistītas ar Visuma vecumu; to sauc par Hubeļa laiku.

Vēsturiskā izcelsme

Šo novērojumu un tā fizisko interpretāciju ierosināja un izklāstīja Žoržs Lemērs 1927. gadā, atvasinot izplešanās risinājumus no vispārīgās relativitātes vienādojumiem un piedāvājot izplešanās ātruma skaitlisku rādītāju. Divus gadus vēlāk Edvīns Hūbls ar papildu novērojumiem apstiprināja attāluma un recesijas ātruma saistību un noteica konstantes vērtību, kas vēlāk tika nosaukta viņa vārdā. Jau agrāk, no ~1912. līdz 1917. gadam, Vesto Slipers bija izmēris daudzus spektrālos pārbīdījumus (sarkanās nobīdes), kas ļāva novērot galaktiku kustību pret mums.

Fiziska nozīme un ierobežojumi

Sarkanā nobīde, ko bieži interpretē kā Doplera efektu, kosmoloģiskā mērogā rodas ne tikai no objekta lokālās kustības telpā, bet arī no telpas pašas izplešanās. Tādos gadījumos nebūtu pareizi domāt par galaktiku "skrienam" caur statisku telpu — drīzāk telpa starp galaktikām paplašinās.

Hūbla likums darbojas precīzi zema sarkanā nobīdes (mazs z) reģionā, kur var izmantot aproksimāciju v ≈ c z (c — gaismas ātrums). Lielākos sarkanās nobīdes attālumos attiecība starp redzamo nobīdi un attālumu kļūst atkarīga no Visuma sastāva (matiers, tumšā viela, tumšā enerģija) un jāizmanto pilna kosmoloģiskā attāluma-recesijas attiecība, nevis vienkāršā lineārā formula.

Mērījumi un mūsdienu "Hūbla spriedze" (Hubble tension)

Hūbla konstantes noteikšana ir viens no kosmoloģijas centrālajiem mērķiem. Pastāv divas galvenās pieejas:

• lokālās "attālumu kāpiņas" (distance ladder) metodes, kur izmanto paraugzvaigžņu paralakses, Cepīdas un supernovas, lai noteiktu attālumus tiešā veidā (HST un SH0ES projekti);
• agrīnās Visuma datu modeļu piemērošana, izmantojot kosmiskā mikroviļņu fona novērojumus (piem., Planck satelīts), kas dod H0, balstoties uz kosmoloģisko modeli (Lambda-CDM).

Konkrēti novērojumi un to piemēri, kā minēts iepriekš, iekļauj rezultātus no HST infrasarkanās kameras, kas deva H0 = 73,8 ± 2,4 (km/s)/Mpc, kā arī alternatīvus novērojumus no galaktiku kopām aptuveni 67,0 ± 3,2 (km/s)/Mpc. Plašākā pētnieku kopiena pēdējās desmitgadēs konstatējusi konsekventu nelielu, bet nozīmīgu atšķirību starp "lokālajām" novērošanas metodēm (parasti H0 ~ 73 (km/s)/Mpc) un agrīnās Visuma indikatoriem, piemēram, Planck misijas rezultātiem (apmēram H0 ~ 67 (km/s)/Mpc). Šo neatbilstību sauc par Hūbla spriedzi (Hubble tension) un tā var norādīt uz mēģinājumu uzlabot mērījumu precizitāti, uz nepilnībām modeļos vai pat uz jaunu fiziku ārpus standarta Lambda-CDM kosmoloģijas.

Mūsdienu konspekts

Šobrīd (kā liecina plaši publicētie rezultāti) vispārpieņemts ir fakts, ka:

• Visums paplašinās, un Hūbla likums ir vienkāršākais veids, kā šo izplešanos kvantificēt vietējā (zemā z) reģionā;
• Hūbla konstante H0 ir Hūbla parametra pašreizējā (mūsdienu) vērtība; Hūbla parametrs H(t) laika gaitā mainās — tas nav absolūts kosmoloģisks "likums", kas būtu nemainīgs visos laikos;
• Precīza H0 vērtība joprojām tiek aktīvi pētīta; atkarībā no metodes tā pašreiz tiek lēsta apmēram no ~67 līdz ~74 (km/s)/Mpc, un šo atšķirību izskaidrošanai tiek meklēti gan sistemātiski mērījumu efekti, gan iespējamie jauni fizikas mehānismi.

Nozīme kosmoloģijā

Hūbla likums ir viens no pamata novērojumiem, kas atbalsta Lielā sprādziena modeli un mūsdienu kosmoloģisko izpratni par Visuma evolūciju. Hūbla konstantes noteikšana palīdz ierobežot Visuma vecumu, paplašināšanās vēsturi un saturu (matiers, tumšā viela, tumšā enerģija), kā arī sniedz svarīgus testus vispārējai relativitātei un alternatīvām teorijām.

Piezīme par terminoloģiju: dažādās valodās un publikācijās var tikt lietotas variācijas, piemēram, "Hubeļa konstante", "Hūbla konstante" vai "Hubble constant" angliski. Šeit izmantojam latviskotu formu Hūbla konstante.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Hubeļa likums?

J: Kurš pirmais atvasināja šo likumu?

J: Kurš apstiprināja tā pastāvēšanu?

J: Kā tika izmērīts recesijas ātrums?

J: Kāds vienādojums izsaka šo likumu?

J: Kādā mērvienībā parasti ir H0?

Meklēt pēc burta