Expansiunea Universului

Astronomie si astrofizica, Univers

Universul in miscareTimp de multe secole, extrapoland aspectul neschimbat al boltei instelate, s-a crezut ca Universul are un caracter static. In afara miscarii planetelor si a stelelor pe orbitele lor, nu se prevedea nici o alta miscare, pe scara mai mare, si nici vreo miscare a Universului ca intreg. Dar, in jurul anului 1920, aceasta imagine a inceput sa se destrame atunci cand au fost masurate primele deplasari ale galaxiilor si astfel a trebuit acceptata ideea ca Universul observabil este in miscare, iar aceasta miscare are caracterul unei „imprastieri”; cu alte cuvinte, Universul este intr-un proces de expansiune.

Efectul DopplerExpansiunea Universului poate fi detectata cu ajutorul unui efect fizic numit deplasare Doppler, care se manifesta ori de cate ori o sursa de lumina (in cazul de fata) se afla in miscare fata de observator.De fapt, fenomenul Doppler este familiar, el punandu-se in evidenta in cazul clasicului exemplu cu semnalele date de trenuri in miscare sau de claxoanele autovehiculelor care trec in viteza pe langa noi. Pe scurt, un semnal dat de un tren are un sunet mai inalt daca trenul se apropie si este mai grav daca trenul se indeparteaza.Explicatia este simpla: modificarea frecventei se datoreaza faptului ca lungimea de unda a sunetului este afectata de viteza obiectului care il emite, fata de observator. Astfel, semnalul emis de trenul care se apropie pare sa aiba un sunet cu o lungime de unda mai mica (frecventa mai mare), iar semnalul dat de un tren care se indeparteaza pare sa aiba o lungime de unda mai mare (frecventa mai mica).Lucrurile se petrec asemanator si cu radiatiile electro-magnetice, in

particular cu lumina: lungimea de unda a luminii care ne vine de la o stea ori o galaxie este de asemenea dependenta de viteza obiectului care o emite. Pe baza unei relatii simple, masurand lungimea de unda a radiatiei emise de obiectul aflat in miscare si cunoscand-o pe cea emisa de obiect in stare de repaus, viteza obiectului se poate calcula foarte usor.In astronomie, efectul Doopler este extrem de folositor. Pe baza lui putem masura viteza tuturor stelelor si a galaxiilor, cunoscand deplasarea lungimilor de unda a luminii emise.Dar nici unul din obiectele din Univers nu emite semnale avand doar o singura lungime de unda, asa cum fluierul trenului emite un sunet de o anumita frecventa, ci ele emit un intreg spectru luminos, intrerupt din loc in loc de linii intunecate – de absorbtie – sau linii luminoase – de emisie. De pilda, o linie intunecata se poate datora absorbtiei luminii de lungimea de unda respectiva de catre atomii de calciu, alta de cei de hidrogen etc.Putem sa identificam aceste linii din ambele spectre, se foloseste formula Doppler si se afla viteza sursei luminoase.Vitezele stelelor din Galaxia noastra, calculate in acest mod, sunt relativ mici din punct de vedere astronomic, situandu-se in jur de 30 – 40 km / s. In schimb, pentru alte galaxii situatia devine mult mai interesanta. Masuratorile au aratat ca ele se indeparteaza una de cealalta cu viteze din ce in ce mai mari.Se cuvine mentionat insa si un dezavantaj: prin efectul Doppler nu putem masura decat comportamentul miscarii pe directia in care privim, adica viteza radiala. In cazul stelelor, in special in cazul celor mai apropiate de Soare, putem afla mai multe date. In afara efectului Doppler putem masura viteza cu care o stea se misca pe bolta cerulu, fotografiind pozitia stelei la intervale de cativa ani. Dar galaxiile sunt mult prea indepartate pentru a le putea detecta miscarea prin astfel de metode; ar fi necesare cateva milioane de ani pentru a obtine o deplasare semnificativa. De aceea, tot ceea ce stim in prezent despre galaxii este viteza lor radiala.

Descoperirea expansiunii UniversuluiPovestea stiintifica a descoperirii expansiunii Universului, ce avea sa conduca apoi la un model neasteptat al Universului, a inceput in anul 1912, la Observatorul astronomic Lowell din Arizona, SUA. Acolo, astronomul Vesto Melvin Slipher a descoperit ca circa 10 galaxii se indeparteaza de Pamant cu viteze de pana la milioane de kilometri pe ora. Diapozitivele proiectate au aratat clar deplasarea spre rosu, care indica o deplasare enorm de rapida a galaxiilor.Desi colegii lui Slipher nu stiau exact ce inseamna aceasta descoperire, ei au intuit insa ca era de mare importanta.Intre timp, in perioada 1914 – 1917, Albert Einstein si-a publicat ecuatiile teoriei relativitatii generalizate, o teorie a campului gravitational. Aproape imediat, in 1919, astronomul Wilhelm de Sitter a gasit o solutie a acestor ecuatii, care prezicea un univers in expansiune si in care galaxiile se indepartau rapid unele de altele.Predictia teoretica a lui W. de Sitter asupra expansiunii Universului a

facut o mare impresie asupra astronomilor.Dupa 1925, Slipher a parasit studiul galaxiilor, iar munca a fost continuata de E. Hubble si M. Humason. Folosind un telescop mai puternic, ei au masurat vitezele si distantele mai multor galaxii, care erau prea slabe pentru a fi observate de Slipher cu instrumentul sau. A fost o noua confirmare a faptului ca galaxiile se indeparteaza de noi cu viteze extraordinar de mari, unele ajungand la peste 30 000 km / s.Folosind metodele de comparatie cu stele variabile, Hubble a gasit valorile distantelor pana la cateva galaxii relativ vecine; majoritatea erau la peste un milion de ani-lumina, iar distanta cea mai mare era de 7 milioane de ani-lumina.

Legea lui HubbleFolosind datele observatiilor sale, cat si cele ale lui Slipher, Hubble, folosind o metoda foarte simpla, a notat vitezele in functie de distanta pe o hartie milimetrica si a ajuns la o relatie uimitoare, care a ajuns sa fie cunoscuta ca „legea lui Hubble”: cu cat o galaxie e mai indepartata, cu atat se misca cu o viteza mai mare. Aceasta este defapt legea expansiunii Universului, enuntata in 1929, care a fost, de altfel, prezisa de W. de Sitter pe baza teoriei relativitatii.