Αστρονομία

Γαλαξίες και το διευρυνόμενο σύμπαν

Ο Αϊνστάιν σχεδόν αμέσως εφάρμοσε τη θεωρία της βαρύτητας στο σύμπαν στο σύνολό του, δημοσιεύοντας την πρώτη κοσμολογική του εργασία το 1917. Επειδή δεν γνώριζε καλά το πρόσφατο έργο στην αστρονομία, υπέθεσε ότι το σύμπαν ήταν στατικό και αμετάβλητο. Ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι η ύλη κατανέμεται ομοιόμορφα σε όλο το σύμπαν, αλλά δεν μπόρεσε να βρει μια στατική λύση στις εξισώσεις πεδίου του. Το πρόβλημα ήταν ότι η αμοιβαία βαρύτητα όλης της ύλης στο σύμπαν τείνει να κάνει το σύμπαν να συστέλλεται. Επομένως, ο Αϊνστάιν εισήγαγε έναν πρόσθετο όρο που περιέχει έναν παράγοντα Λ, την «κοσμολογική σταθερά». Ο νέος όρος παρείχε μια παγκόσμια κοσμική απωθητική δύναμη, η οποία θα μπορούσε να δράσει σε μεγάλες αποστάσεις για να αντισταθμίσει τις επιπτώσεις της βαρύτητας. Όταν αργότερα έμαθε για την επέκταση του σύμπαντος, ο Αϊνστάιν περιέγραψε την κοσμολογική σταθερά ως το μεγαλύτερο λάθος της καριέρας του. (Αλλά η κοσμολογική σταθερά έχει περάσει πίσω στην κοσμολογία του 20ου και του 21ου αιώνα. Ακόμα και όταν ο Αϊνστάιν έκανε λάθος, ήταν συχνά σε κάτι βαθύ.)

Η στατική λύση του Αϊνστάιν αντιπροσώπευε ένα σύμπαν πεπερασμένου όγκου, αλλά χωρίς άκρα, καθώς ο χώρος κυρτούσε πίσω στον εαυτό του. Έτσι, ένας φανταστικός ταξιδιώτης θα μπορούσε να ταξιδέψει για πάντα σε ευθεία γραμμή και να μην φτάσει ποτέ στην άκρη του σύμπαντος. Ο χώρος έχει θετική καμπυλότητα, οπότε οι γωνίες σε ένα τρίγωνο προσθέτουν πάνω από 180 °, αν και η περίσσεια θα είναι εμφανής μόνο σε τρίγωνα επαρκούς μεγέθους. (Μια καλή δισδιάστατη αναλογία είναι η επιφάνεια της Γης. Είναι πεπερασμένη στην περιοχή, αλλά δεν έχει άκρη.)

Στις αρχές του 20ού αιώνα, οι περισσότεροι επαγγελματίες αστρονόμοι πίστευαν ότι ο Γαλαξίας ήταν ουσιαστικά το ίδιο με το ορατό σύμπαν. Μια μειονότητα πίστευε σε μια θεωρία για τα νησιωτικά σύμπαντα - ότι οι σπειροειδείς νεφελώματα είναι τεράστια αστρικά συστήματα, συγκρίσιμα με τον Γαλαξία μας, και είναι διάσπαρτα στο διάστημα με τεράστιες κενές αποστάσεις μεταξύ τους. Μια αντίρρηση για τη θεωρία του νησιού-σύμπαντος ήταν ότι πολύ λίγες σπείρες φαίνονται κοντά στο επίπεδο του Γαλαξία, η λεγόμενη Ζώνη Αποφυγής. Έτσι, οι σπείρες πρέπει κατά κάποιον τρόπο να είναι μέρος του συστήματος Γαλαξίας. Ωστόσο, ο Αμερικανός αστρονόμος Heber Curtis επεσήμανε ότι ορισμένες σπείρες που μπορούν να δουν από πάνω τους προφανώς περιέχουν τεράστιες ποσότητες σκόνης στα «ισημερινά» αεροπλάνα τους. Κάποιος μπορεί επίσης να αναμένει ότι ο Γαλαξίας θα έχει μεγάλες ποσότητες σκόνης σε όλο το επίπεδο, κάτι που θα εξηγούσε γιατί δεν μπορούν να φανούν πολλές αμυδρές σπείρες εκεί η ορατότητα απλώς κρύβεται σε χαμηλά γαλαξιακά πλάτη. Το 1917 ο Curtis βρήκε επίσης τρεις novae στις φωτογραφίες του με σπείρες. Η αχνότητα αυτών των novae σήμαινε ότι οι σπείρες ήταν σε μεγάλες αποστάσεις από τον Γαλαξία μας.

Ο στατικός χαρακτήρας του σύμπαντος αμφισβητήθηκε σύντομα. Το 1912, στο Παρατηρητήριο Lowell στην Αριζόνα, ο Αμερικανός αστρονόμος Vesto M. Slipher είχε αρχίσει να μετρά τις ακτινικές ταχύτητες των σπειροειδών νεφελών. Η πρώτη σπείρα που εξέτασε ο Slipher ήταν το Νεφέλωμα της Ανδρομέδας, το οποίο αποδείχθηκε ότι ήταν μπλε - δηλαδή, κινείται προς τον Γαλαξία - με ταχύτητα προσέγγισης 300 km (200 μίλια) ανά δευτερόλεπτο, τη μεγαλύτερη ταχύτητα που μετρήθηκε ποτέ για οποιοδήποτε ουράνιο αντικείμενο μέχρι εκείνη τη στιγμή. Μέχρι το 1917, ο Slipher είχε ακτινικές ταχύτητες για 25 σπείρες, μερικές έως και 1.000 km (600 μίλια) ανά δευτερόλεπτο. Αντικείμενα που κινούνται με τέτοιες ταχύτητες δεν θα μπορούσαν να ανήκουν στον Γαλαξία μας. Παρόλο που μερικά ήταν μπλε, η συντριπτική πλειοψηφία ήταν ερυθρά, που αντιστοιχεί στην κίνηση μακριά από τον Γαλαξία μας. Ωστόσο, οι αστρονόμοι δεν κατέληξαν αμέσως στο συμπέρασμα ότι το σύμπαν επεκτείνεται. Αντίθετα, επειδή οι σπείρες του Slipher δεν ήταν ομοιόμορφα κατανεμημένες στον ουρανό, οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν τα δεδομένα για να προσπαθήσουν να συμπεράνουν την ταχύτητα του Ήλιου σε σχέση με το σύστημα των σπειρών. Η πλειονότητα των σπειρών του Slipher βρισκόταν στη μία πλευρά του Γαλαξία και υποχωρούσε, ενώ μερικές στην άλλη πλευρά και πλησίαζαν. Για το Slipher, ο Γαλαξίας ήταν ο ίδιος μια σπείρα, κινούμενη σε σχέση με ένα μεγαλύτερο πεδίο σπειρών.

Το 1917 ο Ολλανδός μαθηματικός Willem de Sitter βρήκε μια άλλη φαινομενικά στατική κοσμολογική λύση των εξισώσεων πεδίου, διαφορετική από εκείνη του Αϊνστάιν, που έδειξε συσχέτιση μεταξύ απόστασης και ερυθράς μετατόπισης. Παρόλο που δεν ήταν σαφές ότι η λύση του de Sitter θα μπορούσε να περιγράψει το σύμπαν, καθώς στερείται ύλης, αυτό κίνησε τους αστρονόμους να αναζητήσουν μια σχέση μεταξύ απόστασης και ερυθράς αλλαγής. Το 1924 ο Σουηδός αστρονόμος Karl Lundmark δημοσίευσε μια εμπειρική μελέτη που έδωσε μια σχεδόν γραμμική σχέση (αν και με πολλή διασπορά) ανάμεσα στις αποστάσεις και τις ταχύτητες των σπειρών. Η δυσκολία ήταν να γνωρίζουμε με ακρίβεια τις αποστάσεις. Η Lundmark χρησιμοποίησε novae που είχαν παρατηρηθεί στο Νεφέλωμα Andromeda για να προσδιορίσει την απόσταση αυτού του νεφελώματος υποθέτοντας ότι αυτά τα novae θα είχαν την ίδια μέση απόλυτη φωτεινότητα με τα novae στον Γαλαξία των οποίων οι αποστάσεις ήταν περίπου γνωστές. Για πιο μακρινές σπείρες, η Lundmark επικαλέστηκε τις ακατέργαστες υποθέσεις ότι αυτές οι σπείρες έπρεπε να έχουν την ίδια διάμετρο και φωτεινότητα με το Νεφέλωμα της Ανδρομέδας. Έτσι, οι novae λειτούργησαν ως στάνταρ κεριά (δηλαδή αντικείμενα με καθορισμένη φωτεινότητα) και για πιο μακρινές σπείρες, οι ίδιες οι σπείρες έγιναν το τυπικό κερί.

Από τη θεωρητική πλευρά, μεταξύ του 1922 και του 1924 ο Ρώσος μαθηματικός Αλεξάντρ Φρίντμαν μελέτησε μη στατικές κοσμολογικές λύσεις στις εξισώσεις του Αϊνστάιν. Αυτά ξεπέρασαν το μοντέλο του Αϊνστάιν επιτρέποντας την επέκταση ή τη συστολή του σύμπαντος και πέρα από το μοντέλο του ντε Σίτερ επιτρέποντας στο σύμπαν να περιέχει ύλη. Ο Friedmann παρουσίασε επίσης κοσμολογικά μοντέλα με αρνητική καμπυλότητα. (Σε αρνητικά καμπύλο χώρο, οι γωνίες ενός τριγώνου ανέρχονται σε λιγότερο από 180 °.) Οι λύσεις του Φρίντμαν είχαν ελάχιστο άμεσο αντίκτυπο, εν μέρει λόγω του πρόωρου θανάτου του το 1925 και εν μέρει επειδή δεν είχε συνδέσει το θεωρητικό του έργο με αστρονομικές παρατηρήσεις. Δεν βοήθησε ότι ο Αϊνστάιν δημοσίευσε ένα σημείωμα που ισχυριζόταν ότι το έγγραφο του Φρίντμαν του 1922 περιείχε ένα θεμελιώδες σφάλμα. Ο Αϊνστάιν απέσυρε αργότερα αυτήν την κριτική.