Przesunięcie ku czerwieni – dowód na ekspansję wszechświata

Niezmienny przez tysiące lat wygląd gwiazdozbiorów stworzył głęboko zakorzenione przekonanie, że Wszechświat nie podlega systematycznym zmianom i jako całość zachowuje w czasie niezmienną formę. Podczas, gdy Albert Einstein wysnuł stwierdzenie, iż równania przez niego wykreowanej ogólnej teorii względności (OTW) nie przewidują możliwości istnienia Wszechświata stacjonarnego, uzupełnił je o dodatkowy składnik "kosmologiczny", dzięki któremu wśród rozwiązań zmiennych w czasie pojawiło się również rozwiązanie stacjonarne. Niedługo potem amerykański astronom Edwin Hubble odkrył, że wszystkie galaktyki poza Układem Lokalnym oddalają się,(uciekają) od naszej Galaktyki z prędkościami tym większymi, im dalej się od nas znajdują. Wydarzenie to, które obecnie znane jest jako prawo Hubble'a, zostało potwierdzone ogromnym materiałem obserwacyjnym i stanowi jeden z podstawowych faktów astronomii pozagalaktycznej.

Dla niezbyt odległych obiektów prędkość ucieczki galaktyk, v, zależy od odległości, r, w sposób liniowy: v = H × r, gdzie H - stała Hubble'a pełniąca rolę współczynnika proporcjonalności. Ścisła proporcjonalność między v i r pozwala nam uniknąć konfliktu z zasadą kopernikowską. W przypadku innej zależności, w porównaniu do liniowej, z faktu radialnej ucieczki galaktyk we wszystkich kierunkach należałoby wyprowadzić wniosek, iż Droga Mleczna znajduje się w szczególnym miejscu - "w środku" Wszechświata. Ponieważ mamy do czynienia z zasadą proporcjonalności, Wszechświat rozszerza się równomiernie w każdym kierunku, nie zmieniając stosunków odległości, a jedynie skalę rozmiarów. Pobliskie nam galaktyki oddalając się od naszej, w takiej samej proporcji oddalają się wzajemnie od siebie. Astronom wyposażony w teleskop umieszczony w dowolnej galaktyce stwierdzi dokładnie to samo, co my: wszystkie galaktyki oddalają się z prędkością proporcjonalną do odległości.

Zgodnie z efektem Dopplera przesunięciu w jednakowym stosunku ulega całe widmo promieniowania elektromagnetycznego. Możliwość pomiaru tego przesunięcia może być jednak utrudniona, jeżeli w widmie brak wyraźnych linii (emisyjnych lub absorpcyjnych). Do celów działu nauki zwanej astronomią pozagalaktyczną praktycznie jedynie w dziedzinie optycznej i nadfiolecie obserwuje się dostatecznie silne linie, które umożliwiają pomiar przesunięcia. Promieniowanie rentgenowskie, radiowe czy też gamma obiektów pozagalaktycznych ma z reguły charakter nietermiczny i pozbawione jest linii widmowych. Istotnym wyjątkiem jest promieniowanie rentgenowskie dotyczące gromad galaktyk, ale ze względu na małą zdolność rozdzielczą detektorów rentgenowskich pomiary przesunięcia ku czerwieni gromad w tym zakresie widma nie są jeszcze możliwe. Liniowa zależność pomiędzy prędkością ucieczki i odległością podana przez Edwina Hubble'a przestaje obowiązywać, gdy prędkości stają się porównywalne z prędkością światła. Również samo pojęcie odległości wymaga doprecyzowania. Z jednej strony, należy ją zdefiniować w zakrzywionej przestrzeni, z drugiej - w wyniku oddalania się obiektów - odległość galaktyk o dużych prędkościach zmienia się znacząco w czasie zużytym przez promień światła na przebycie drogi od źródła do obserwatora.

Dzięki jednorodnej ekspansji Wszechświata istnieje jednak skomplikowana, ale wzajemnie jednoznaczna zależność między odległością a prędkością oddalania. Dla obiektów poza Supergromadą Lokalną często jedyną informacją o odległości jest właśnie przesunięcie widma ku czerwieni z wynikające z prędkości ucieczki. W astronomii pozagalaktycznej ta miara odległości jest na ogół utożsamiana z samą odległością. Dla obiektów bardzo odległych podaje się wyłącznie wartość przesunięcia ku czerwieni, np. z = 4,90 dla jednego z bardziej oddalonych kwazarów w gwiazdozbiorze Psów Gończych. Zmiana długości fali (energii) fotonu może powstać nie tylko w wyniku zjawiska Dopplera. W kontekście astrofizycznym istotną rolę odgrywa tzw. przesunięcie grawitacyjne. Foton wyemitowany z obszaru o wysokim ujemnym potencjale grawitacyjnym (np. z powierzchni zwartego masywnego obiektu - białego karła lub gwiazdy neutronowej) część swej energii zużywa na pokonanie bariery potencjału. Przesunięcie grawitacyjne w tym wypadku - podobnie do efektu Dopplera, spowodowanego ucieczką galaktyk - następuje w stronę długich fal. Istnieją konkurencyjne teorie wiążące przesunięcie widma obiektów pozagalaktycznych ku czerwieni w całości lub częściowo z innymi zjawiskami fizycznymi niż prawo Hubble'a.

Teorie te wysnuwają założenie na istnienie niekosmologicznych przesunięć ku czerwieni dla pewnych klas obiektów, najczęściej niektórych aktywnych jąder galaktyk . Istnienie przesunięć niekosmologicznych mogą potwierdzić badania powiązanych ze sobą fizycznie obiektów, posiadających wyraźnie różne przesunięcia. Mimo wielkiego wysiłku, jaki włożyli liczni obserwatorzy, nie ma w tej chwili przekonujących dowodów, że takie obiekty istnieją. Podstawowym pytaniem, jakie nurtuje współczesnych badaczy i jakie możemy sobie zadać jest wiek Wszechświata. Niestety, aby na nie odpowiedzieć, należy dokonać kilku bardzo dokładnych pomiarów. Pierwszym z nich jest zmierzenie prędkości ucieczki galaktyk. Pomiar owej wartości możemy dokonać z dużą dokładnością za pomocą pomiaru przesunięcia ku czerwieni (z angielskiego redshift). Drugim, także niezwykle istotnym parametrem jest przeprowadzenie pomiaru odległości, do obiektu dla którego wyznaczyliśmy przesunięcie ku czerwieni. Problem stanowi fakt, że do takiego pomiaru należy wybrać galaktyki "nie byle jakie" - jeśli zbadamy redshift dla pobliskiego nam obiektu, wtedy jego ruch własny może spowodować, że okaże się, że zamiast się od nas oddalać, przybliża się on do nas (taka sytuacja może nastąpić np. przy badaniu Wielkiej Mgławicy w galaktyce Andromedy - M31 jest stosunkowo pobliską galaktyką, przez co mocno oddziaływuje z naszą Drogą Mleczną, przez co przybliża się do nas - zaobserwowalibyśmy przesunięcie zamiast ku czerwieni, przesunięcie ku błękitowi), jeśli zbyt odległego, po pierwsze będzie on miał mniejszą jasność, przez co trudniejszy będzie badanie widma a po drugie pojawi się kłopot z określeniem dokładnej odległości do galaktyki.

Po selekcji badacze wywnioskowali, iż idealną gromadą do tego celu była by gromada galaktyk w Pannie. Gromada ta znajduje się stosunkowo blisko Drogi Mlecznej, przez co nie było większych problemów z pomiarem odległości i przesunięcia ku czerwieni i równocześnie możemy przyjąć, że większa składowa prędkości jej oddalania się od nas pochodzi od rzeczywistej ekspansji Wszechświata, nie od jej ruchów własnych. Według obecnych badań, odległość do niej wynosi około 50 - 60 milionów lat świetlnych. Praca naukowców, którzy zajmują się badaniem wieku Wszechświata polegała na znalezieniu cefeid w tej właśnie gromadzie. Dzięki zastosowaniu teleskopu Hubble'a odkryto w galaktyce M100 (należącej do tej gromady) cefeidy o okresie 22 do 53 dni.

Krzysztof Zybert (student biotechnologii)

 Bibliografia:

• 1. BAJAN K. BADANIE PERIODYZACJI PRZESUNIĘĆ KU CZERWIENI. Mskr pracy doktorskiej. Kielce 2005. 
• 2. POLLO A., Skąd wiemy, że Wszechświat się rozszerza? Zmierz sam stałą Hubble'a. Instytut Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Otwock-Świerk , Polska 
• 3. Serial dokumentalny: Closer to Truth II, odcinek zatytułowany: Co to znaczy, że wszechświat się rozszerza? USA 2010. http://www.youtube.com/watch?v=5Spvg27E9Ns