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Das Hubble Diagramm und das expandierende Universum

Als du Galaxiehaufen und Spektren in den letzten beiden Abschnitten untersucht hast, hast du dieselben Schritte wie Edwin Hubble 1929 gemacht. Jetzt ist nur noch eine einzige Aufgabe für dich übrig: du musst ein Hubble Diagramm machen, indem du deine Daten alle mit einbeziehst, um etwas über das Universum zu lernen.

Klicke auf die Animation, um sie abzuspielen

Hubble hat zwei wichtige Beobachtungen gemacht, die ihn von seiner geraden Linie in seinem Diagram zu dem expandierenden Universum führten. Zum einen hing die Linie in seinem Enfernung-Rotverschiebungs-Diagramm nicht von den Himmelsrichtungen ab - in der einen Richtung sehen wir Rotverschiebungen, wenn sich Galaxien von uns entfernen, und in der entgegengesetzten Richtung sehen wir auch Rot- und nicht Blauverschiebungen. Überall bewegen sich die Galaxien von uns weg, und umso weiter sie weg sind, desto schneller bewegen sie sich. Zum zweiten, weist die Anzahl der Galaxien, in allen Himmelsrichtungen, und ihre unterschiedlichen Entfernungen darauf hin, dass der Raum einheitlich mit Galaxien gefüllt ist. (Obwohl sich Galaxien häufen, sind die Haufen im ganzen Raum verteilt.)

Aus der zweiten Beobachtung wissen wir, dass unser Bereich im All nichts besonderes ist - wir sehen in keiner Richtung den Rand. Da sich alle Galaxien von uns weg bewegen, bedeutet das, dass wir nicht im Mittelpunkt des Universums sind - das Universum hat gar kein Zentrum. Ein Beobachter in irgendeiner anderen Galaxie würde dieselbe Linie im Hubble Diagramm erkennen. Dies ist genau das Bild, das man bekommt, wenn man annimmt, dass der ganze Raum einheitlich expandiert, und dass sich die Galaxien mit dem Universum bewegen. Das Modell des expandierenden Universums hätte nicht funktioniert, wenn Hubble irgendeine andere Kurve in seinem Diagramm entdeckt hätte.

Frage 5: Was sind die logischen Argumentationsschritte, die von der geraden Linie aus dem Hubble Diagramm zu dem Konzept führen, dass das Universum expandiert? Welche Annahmen musst du machen, um so zu argumentieren? Wie kannst du feststellen, dass diese Annahmen wahr oder falsch sind?

Der Urknall

Der Begriff "Urknall" deutet auf eine Explosion irgendwo im All hin, wobei Teilchen durch den Raum fliegen, weg von der Explosion. Wenn dies wahr wäre, dann würden die schnellsten Teilchen sich am weitesten von dem Ort der Explosion entfernen. Wenn du die Geschwindigkeit der Teilchen im Verhältnis zu ihrer zurückgelegten Entfernung stellst, wirst du eine gerade Linie erhalten. Aber dieses Bild ist NICHT das Konzept, das hinter dem Urknall steht. Das Explosionsmodell ist eher komplexer als das Urknallmodell - man muss sagen, warum es dort eine Explosion gab und nicht irgendwo anders; was verlangsamt die Galaxien am Rand, im Gegensatz zu denen, die näher zum Zentrum liegen? In dem Urknallbild sind alle Positionen und Galaxien gleich - jeder sieht dasselbe, und es gibt keinen Rand und keinen Mittelpunkt.

Hubble hat die Rotverschiebungen nicht selbst gemessen. Vesto Slipher hat bereits ein paar Dutzend Galaxien gemessen. Hubbles Hauptbeitrag war die Bestimmung der Entfernungen zu Galaxien und Haufen, und die Feststellung, dass die Daten in seinem Diagramm von einer geraden Linie dargestellt werden können.

Die Linie, die Rotverschiebung und Entfernung im Verhältnis zueinander stellt, wird ausgedrückt als

c z = H0 d ,

wobei c die Lichtgeschwindigkeit, z die Rotverschiebung, d die Entfernung, und H0 die Hubblekonstante ist. Der Wert von H0 hängt von den verwendeten Einheiten zur Messung der Entfernung d ab. Die untergestellte 0 sagt uns "berechnet zur gegenwärtigen kosmischen Zeit", was darauf hindeutet, dass ihr Wert früher anders gewesen sein könnte. Beachte, dass wenn wir Galaxien mit sehr großen Entfernungen beobachten, sehen wir sie so wie sie in der Vergangenheit ausgeschaut haben, weil das Licht so lange braucht um uns zu erreichen. In anderen Worten bedeutet d, dass wir Dinge anschauen, als ob wir sie vor langer Zeit sehen würden, nicht wie sie jetzt aussehen.

Wenn du einen Astronomen nach der Entfernung zu einer bestimmten Galaxie fragen würdest, würde er oder sie wahrscheinlich die Rotverschiebung z berechnen und anschließend die obige Formel ausrechnen, um d zu bestimmen. Dies ist nicht das, was wir machen werden: wir versuchen festzustellen, dass die Formel selbst richtig ist, was bedeutet, dass wir d unabhängig von unserer Rotverschiebungsmessung bestimmen müssen.

 

Absolute und Relative Entfernungen


Ein Quasar, der von der SDSS mit einer Rotverschiebung von 5.8,
oder etwa 28,000 Mpc. gefunden wurde.

Was du in diesem Projekt gemessen hast war relative, nicht absolute Entfernung. Eine absolute Entfernung zu haben bedeutet, dass wir den Wert von d in inch oder Meter wissen - oder in einer Einheit, die Astronomen verwenden, und die megaparsec (Mpc) heißt, wobei 1 Mpc etwa 3.260.000 Lichtjahren entspricht, oder etwa dreißig Tausend Milliarden Milliarden Metern. Wenn wir diese Einheit verwenden, dann hat H0 die Einheit Kilometer pro Sekunde pro Mpc. Der aktuelle Wert lautet H0 = 70 km/sec/Mpc. Der Fehleranteil dieser Zahl ist ungefähr 10%, was die Unsicherheit in der Messung der absoluten Entfernungen widerspiegelt. Die Inverse der Hubblekonstante, 1/H0, sagt uns die Zeit seit dem Urknall. Der Wert von 1/H0 ist 14 Milliarden Jahre, mit derselben 10%igen Unsicherheit.

Da du nur relative Entfernungen in diesem Projekt messen konntest, hattest du keine Informationen über den Wert von H0. Aber du hast immer noch eine entscheidende Entdeckung gemacht: die gerade Linie hat die Wissenschaftler davon überzeugt, dass die Urknall Theorie richtig war, und nicht der genaue Wert von H0. Für das, was du gerade gemacht hast, hätte Hubble beinahe den Nobel Preis in Physik gewonnen. (Leider starb er 1953, genau dann als das Komitee beschlossen hatte ihm den Preis zu übergeben. Nobel Preise können nur an lebende Wissenschaftler überreicht werden.)

 

Alles zusammengefasst

Übung 16: In dem Kapitel über Entfernungen hast du die relativen Entfernungen von vielen Galaxien in drei Haufen, in unterschiedlichen Positionen des Himmels, bestimmt. In dem Kapitel über Rotverschiebungen hast du die Rotverschiebungen für dieselben Galaxien gefunden. Verwende nun ein Tabellenkalkulationsprogramm, um ein Hubble Diagramm von diesen Galaxien zu machen. Die Rotverschiebung auf der x-Achse und die Entfernung auf der y-Achse. Kennzeichne deine Achsen deutlich. Kannst du eine gerade Linie durch alle Punkte ziehen?

Die Daten, die du so weit hast, ist eine gerade Linie, wenn du Entfernung und Rotverschiebung einzeichnest, was darauf hindeutet, dass das Universum expandiert. Das ist ein erstaunliches Ergebnis, aber denk daran, dass du dir nur ein paar Galaxien in einem winzigen Himmelsbereich angeschaut hast. Deswegen könnten Wissenschaftler skeptisch auf deine Schlussfolgerung reagieren. Sie könnten sagen, das sich etwas seltsames in diesem Himmelsbereich abgespielt haben muss, oder dass du nur eine günstige Sternenkonstellation gefunden hast.

In der Tat hatte Edwin Hubble ebenfalls Schwierigkeiten die Wissenschaftler von seiner Entdeckung zu überzeugen. Nachdem er es 1929 veröffentlicht hatte, schloss er sich mit dem Astronom Milton Humason zusammen, und begann sich noch mehr Galaxien anzuschauen. Sie maßen die Entfernungen und Rotverschiebungen von Tausenden von Galaxien, und versuchten damit zu beweisen, dass alle Galaxie eine gerade Linie in dem Hubble Diagramm bildeten. Sie hatten Erfolg: 1937 wurde das Bild des expandierenden Universums, dank dieser Beobachtungen öffentlich akzeptiert.

Forschungsaufgabe: Gehe zurück zu den SkyServer Daten und wiederhole die Schritte, die du auf den letzten beiden Seiten gemacht hast. Such dir Galaxien oder Haufen von den Daten aus, und verwende unterschiedliche Methoden, um ihre relativen Entfernungen heraus zu finden. Bestimme anschließend ihre Rotverschiebungen, entweder mithilfe der Vorlagen aus Übung 13, oder den von SkyServer vorgegebenen Rotverschiebungen. Fertige ein neues Hubble Diagramm mit all deinen neuen Daten an. Versuche das Diagramm so detailliert wie möglich zu machen. Wenn du fertig bist, schicke uns dein Diagramm per E-mail (sende es als ein .gif oder .jpg Bild, oder als eine .xls Tabellenkalkulation). Wir werden uns alle Projekte anschauen, die wir erhalten, und werden die besten davon auf diesen Seiten ausstellen!

 

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