Episteme Alam Semesta dan Hukum Hubble

Hubble bekerja dengan tidak kenal lelah di Mount Wilson sampai musim panas 1942, ketika ia pergi untuk melayani dalam Perang Dunia II. Dia dianugerahi Medal of Merit pada tahun 1946. Akhirnya, dia kembali ke Observatory-nya. Kontribusi besar terakhirnya untuk astronomi adalah peran sentral dalam desain dan konstruksi Teleskop Hale 200 inci di Gunung Palomar. 

Empat kali lebih kuat dari Hooker, Hale akan menjadi teleskop terbesar di Bumi selama beberapa dekade. Pada tahun 1949, merasa terhormat dengan diizinkan menggunakan teleskop pertama kali. 

Selama hidupnya, Hubble telah berusaha mendapatkan Hadiah Nobel, bahkan menyewa agen publisitas untuk mempromosikan tujuannya pada akhir 1940-an, tetapi semua upaya itu sia-sia karena tidak ada kategori untuk astronomi. Hubble meninggal pada tahun 1953 ketika mempersiapkan beberapa malam pengamatan, ambisi besarnya yang terakhir tidak terpenuhi.

Dia senang jika dia tahu a Teleskop Luar Angkasa dinamai menurut namanya, sehingga para astronom dapat terus "berharap untuk menemukan sesuatu yang tidak kita harapkan" , seperti yang ia katakan pada tahun 1948 saat siaran BBC di London.

 Ahli astrofisika Inggris terkenal Stephen Hawking menulis dalam bukunya A History History of Time bahwa "penemuan bahwa Hubble sedang berkembang adalah salah satu revolusi intelektual besar abad ke-20." Siapa yang bisa menebak masa depan seperti bidang Astronomi di Universitas Chicago pada tahun 1914.

Edwin Powell Hubble Edwin Powell Hubble Pria yang menemukan kosmos;  lahir di Missouri, Amerika Serikat, pada 29 November 1889 dan meninggal 28 September 1953. Masa kecilnya dihabiskan di kota itu hingga umur 10 tahun ketika keluarganya berpindah ke Chicago, tempat menamatkan pendidikanya hingga jenjang sekolah menengah. 

Dwin Hubble lahir di Missouri pada tahun 1889, putra seorang eksekutif asuransi, dan pindah ke Chicago sembilan tahun kemudian. Pada kelulusan sekolah menengahnya pada tahun 1906, kepala sekolah berkata: "Edwin Hubble, saya telah mengawasi Anda selama empat tahun dan saya belum pernah melihat Anda belajar selama sepuluh menit."

Dia berhenti, beberapa saat lebih lama, sebelum melanjutkan: "beasiswa untuk University of Chicago."  Beasiswa sekolah menengah ini juga diberikan kepada siswa lain karena kesalahan, sehingga uangnya harus dibelah dua dan Edwin harus memasok sisanya. 

Dia membayar biayanya dengan bimbingan belajar, bekerja di musim panas dan, di tahun pertamanya, dengan mendapatkan beasiswa dalam fisika dan bekerja sebagai asisten laboratorium. Dia akhirnya memperoleh gelar di bidang Matematika dan Astronomi pada tahun 1910.

Aku tahu bahwa meskipun aku kelas dua atau tiga, astronomilah yang penting."  Kalimat ini, yang ditulis oleh Edwin Hubble yang mengingat masa mudanya, memberi tahu  banyak tentang lelaki itu. 

Seorang pria yang akhirnya mengingkari janji yang dibuat untuk ayahnya dan mengikuti jalan yang ditentukan oleh hasratnya.  Sebagai hasil dari karya Hubble, persepsi tentang tempat umat manusia di Semesta telah berubah selamanya: manusia sekali lagi telah dikesampingkan dari pusat Semesta. Ketika para ilmuwan memutuskan untuk memberi nama Teleskop Luar Angkasa setelah pendiri kosmologi modern, pilihannya tidak mungkin lebih tepat.

Dalam salah satu makalah klasik paling terkenal dalam catatan sejarah sains, Edwin Powell Hubble 1929 tentang hubungan yang diamati antara jarak dan kecepatan resesi galaksi Hukum Hubble  mengungkap alam semesta yang mengembang dan selamanya mengubah pemahaman kita tentang kosmos. 

Ini meresmikan bidang kosmologi pengamatan yang telah mengungkap alam semesta yang luar biasa luas yang telah berkembang dan berkembang selama 14 miliar tahun dan mengandung materi gelap, energi gelap, dan miliaran galaksi.

Sulit membayangkan  hanya 90 tahun yang lalu, tidak tahu tentang keberadaan sebagian besar alam semesta di sekitar kita. Dari perspektif hari ini, realitas alam semesta yang sangat besar, tua, mengembang, dipenuhi dengan miliaran galaksi yang saling menyusut satu sama lain ketika ruang kosmik mengembang dari "Big Bang" awal miliaran tahun yang lalu tampak begitu jelas sehingga kita mengharapkannya. pasti sudah dikenal selama berabad-abad.

Pada  makalah 1929 karya Edwin Hubble, "Hubungan antara jarak dan kecepatan radial antara nebula ekstra-galaksi", yang mengarah ke titik balik dalam pemahaman kita tentang alam semesta. 

Dalam makalah pendeknya, Hubble menyajikan bukti pengamatan untuk salah satu penemuan sains terbesar   alam semesta yang mengembang. Hubble menunjukkan  galaksi surut menjauh dari kita dengan kecepatan yang sebanding dengan jaraknya dari kita: galaksi yang lebih jauh surut lebih cepat daripada galaksi terdekat. 

Grafik klasik Hubble dari kecepatan yang diamati vs. jarak untuk galaksi terdekat disajikan pada gambar 1 ; grafik ini telah menjadi tengara ilmiah yang secara teratur direproduksi dalam buku teks astronomi. Grafik mengungkapkan hubungan linear antara kecepatan galaksi ( v ) dan jaraknya ( d )

 Hubungan kecepatan-jarak antara nebula ekstragalaktik [1]. "Kecepatan radial, dikoreksi untuk gerakan matahari, diplot terhadap jarak yang diperkirakan dari bintang-bintang yang terlibat dan luminositas rata-rata nebula dalam sebuah cluster. 

Cakram hitam dan garis penuh mewakili solusi untuk gerakan matahari menggunakan nebula secara individual; lingkaran dan garis putus-putus mewakili solusi menggabungkan nebula ke dalam kelompok; salib mewakili kecepatan rata-rata yang sesuai dengan jarak rata-rata 22 nebula yang jaraknya tidak dapat diperkirakan secara individual [1]. (Catatan: Unit kecepatan harus dalam kilometer per detik.)

 Relasi ini adalah Hukum Hubble yang terkenal (dan representasi grafisnya adalah Diagram Hubble). Ini menunjukkan ekspansi kosmos yang konstan di mana, seperti pada kue kismis yang mengembang yang membengkak dalam ukurannya, galaksi, seperti kismis, menyusut satu sama lain dengan kecepatan konstan per satuan jarak; dengan demikian, objek yang lebih jauh bergerak lebih cepat daripada yang terdekat. Kemiringan hubungan, H o , adalah Konstan Hubble; itu mewakili laju konstan ekspansi kosmis yang disebabkan oleh peregangan ruang-waktu itu sendiri. 

Meskipun laju ekspansi konstan ke segala arah pada waktu tertentu, laju ini berubah seiring waktu sepanjang kehidupan alam semesta. Ketika dinyatakan sebagai fungsi waktu kosmik, H (t], itu dikenal sebagai Parameter Hubble. 

Tingkat ekspansi saat ini, H o , adalah sekitar 70 km / s / Mpc (di mana 1 Mpc = 10 6 parsec = 3,26 10 6 cahaya-y). Kebalikan dari Konstan Hubble adalah Waktu Hubble, t H = d / v = 1 / H o ; itu mencerminkan waktu sejak ekspansi kosmik linier telah dimulai (mengekstrapolasi Hukum Hubble linier ke waktu t = 0); dengan demikian terkait dengan usia Semesta dari Big-Bang hingga saat ini. Untuk nilai H o di atas , t H = 1 / H o 14 miliar tahun.

 Hubungan pengamatan Hubble yang luar biasa diperoleh dengan menggunakan 24 galaksi terdekat yang tersedia untuk mengukur kecepatan dan jarak. Sebagian besar kecepatan berasal dari pengamatan Doppler-shift spektroskopi perintis oleh astronom terkenal Vesto Melvin Slipher (meskipun tidak ada referensi yang diberikan dalam makalah Hubble). 

Jarak ke galaksi-galaksi ini (penentuan yang tidak akurat pada masa itu) telah diukur oleh Hubble dengan akurasi jauh lebih besar daripada yang sebelumnya mungkin  dari kecerahan bintang-bintang mereka dan, untuk empat galaksi terjauh dalam sampel, masing-masing terletak di Virgo cluster (dengan kecepatan resesi 1,000 km / s), dari kecerahan galaksi mereka. 

Metode ini menggunakan bintang-bintang (atau galaksi) sebagai "lilin standar"; ia membandingkan luminositas intrinsiknya yang diketahui (diketahui dari benda-benda terdekat yang dikalibrasi dengan baik) dengan kecerahan tampak yang diamati untuk menghasilkan jarak ke setiap objek. Semakin jauh objek, semakin redupnya muncul. Penentuan jarak hubble cukup baik untuk memilah galaksi yang lebih dekat dari galaksi yang lebih jauh sehingga dapat mendeteksi hubungan linear yang menakjubkan ini. 

Selain memplot semua 24 galaksi individu dalam grafik, Hubble juga menaburkannya menjadi sembilan kelompok (lingkaran terbuka pada Gambar 1) berdasarkan kedekatannya dalam arah dan jarak; ini adalah cara yang baik untuk meminimalkan penyebaran yang besar. Hubble menggunakan 22 galaksi tambahan yang memiliki kecepatan (dari pengukuran Slipher), tetapi tidak ada jarak yang diestimasi secara individual. Untuk ini, Hubble menggunakan kecepatan rata-rata 22 galaksi dan memperkirakan jarak rata-rata dari kecerahan rata-rata yang diamati; nilai rata-rata ini, yang ditunjukkan oleh tanda silang pada Gambar 1 , konsisten dengan data lainnya. 

Meskipun ada petunjuk tentang kemungkinan hubungan antara kecepatan dan jarak dalam karya sebelumnya [Lemaitre (2) dan Robertson (3), yang meletakkan dasar teoretis; lihat referensi. 4 -6 dan referensi di dalamnya], makalah Hubble adalah karya definitif yang meyakinkan komunitas ilmiah tentang keberadaan hubungan yang diamati ini dan dengan demikian dari alam semesta yang mengembang. 

Pekerjaan Hubble bertumpu pada kumpulan data ilmiah pada saat itu, dari kecepatan sangat penting yang ditentukan oleh Slipher hingga berbagai upaya pengukuran jarak menggunakan berbagai lilin standar dan kalibrasi yang sangat ditingkatkan yang ditawarkan oleh periode-luminositas yang diamati oleh hubungan bintang Cepheid yang diamati [ditemukan oleh Henrietta Swan Leavitt pada tahun 1912 (7); Hubble menggunakan ini untuk mengkalibrasi jaraknya]. Hubble beruntung menggunakan teleskop paling kuat di dunia pada saat itu, 100-in. 

Teleskop Hooker di Mount Wilson, yang memungkinkannya mengidentifikasi bintang-bintang individual di galaksi dan dengan demikian mengungkapkan jaraknya. Dia mampu memilih dan mengukur serangkaian jarak yang ditentukan terbaik secara konsisten untuk sampel galaksi terpilih dan, meskipun ada kesalahan kalibrasi sistematis yang besar, telah berhasil mengungkap secara meyakinkan hubungan luar biasa ini. Mengevaluasi datanya, Hubble menyimpulkan: "Untuk materi yang hanya sedikit, didistribusikan dengan buruk, hasilnya cukup pasti."

Diagram Hubble tentang kecepatan vs jarak Gambar 1  tampak sederhana dan sederhana. Ini menunjukkan tren peningkatan kecepatan yang jelas dengan jarak, meskipun sebaran besar. 

Apa yang membuat grafik yang tampak sederhana ini mencengangkan adalah implikasi luas dari tren yang diamati:  kita hidup di alam semesta yang besar dan berkembang secara dinamis yang meluas ke segala arah. Bukan alam semesta statis yang diasumsikan Einstein dan yang lainnya pada tahun 1917. 

Faktanya, Einstein memperkenalkan konstanta kosmologis ke dalam persamaannya untuk menjaga alam semesta tetap statis, seperti yang diyakini saat itu. Hasil Hubble menyarankan sebaliknya; mereka menyarankan  alam semesta telah mengembang selama milyaran tahun, dari awal hingga saat ini (dan masa depan). 

Faktanya, pada tahun 1922, Alexander Friedmann (8), ahli kosmologi Rusia yang terkenal, mendapatkan solusi pertama untuk persamaan Einstein untuk perluasan alam semesta (Persamaan Friedmann). Pada tahun 1927, Georges Lemaitre (2) menurunkan solusi nonstatic untuk persamaan Einstein dan menggabungkannya dengan pengamatan yang tersedia untuk menyarankan hubungan yang mungkin tetapi tidak meyakinkan antara kecepatan dan jarak, yang diharapkan untuk alam semesta non-statis (lihat juga referensi 5 dan 6). 

Diagram 1929 Hubble membuktikan  mereka benar. Sayangnya, Friedmann meninggal muda pada tahun 1925 dan tidak hidup untuk menyaksikan hasil Hubble. Hubble sendiri, bagaimanapun, tidak menghubungkan hasilnya dengan solusi semesta yang berkembang ini. Makalah Friedmann (1922) dan Lemaitre (1927) belum dikenal atau dibahas secara luas pada tahun 1929. 

Sebaliknya, Hubble merujuk (dalam paragraf singkat terakhir makalahnya) tentang kemungkinan  hubungan liniernya yang diamati mungkin berhubungan dengan yang dibahas kemudian.  

Sekarang lama ditinggalkan  model statis de Sitter di mana pergeseran Doppler muncul terutama karena melambatnya waktu pada jarak yang jauh daripada dari alam semesta yang mengembang. Tak lama setelah penemuan Hubble, para kosmolog, termasuk Einstein, menyadari makalah Lemaitre (1927); Hubungan Hubble yang diamati memberikan titik balik bagi alam semesta yang mengembang.

Selama beberapa dekade sejak penemuan Hubble, banyak pengamatan tentang Hukum Hubble telah dilakukan untuk jarak yang jauh lebih besar dan dengan presisi yang jauh lebih tinggi menggunakan berbagai lilin standar modern, termasuk Supernovae tipe Ia (SNIa) ( 9 - 14 ) , dan indikator jarak bintang / Cepheid yang sangat ditingkatkan ke kluster Virgo (15), dilakukan dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble, yang dinamai sesuai untuk menghormati Hubble.

Epsiteme Alam Semesta Dan Hukum Hubble

Gambar 2 menyajikan kompilasi terbaru dari Diagram Hubble diamati menggunakan SNIa sebagai indikator jarak (14) untuk galaksi pada jarak ratusan kali lebih besar daripada yang diamati oleh Hubble; Diagram asli Hubble cocok dengan tempat kecil di dekat asal grafik ini (sesuai dengan lingkungan kosmik langsung kami). Hubungan linear yang indah yang diamati pada jarak-jarak ini adalah kemenangan luar biasa bagi hasil Hubble. 

Nilai Hubble untuk jaraknya pada tahun 1929, bagaimanapun, salah, oleh faktor besar 7! Ini terutama disebabkan oleh kalibrasi titik nol yang salah dari lilin standar yang digunakan pada saat itu. 

Dengan demikian, semua jarak terlalu kecil dengan faktor 7, dan laju ekspansi Ho terlalu besar oleh faktor yang sama. Nilai Hubble untuk Ho adalah 500 km / s / Mpc, sedangkan nilai terkalibrasi dengan baik hari ini adalah Ho = 70 ( 2) km / s / Mpc ( 15 - 20). Namun, terlepas dari perbedaan besar ini dan implikasinya yang besar terhadap laju ekspansi dan usia alam semesta, penemuan mendasar Hubble tentang alam semesta yang mengembang tidak terpengaruh; hubungan linear v yang mendasari tetap tidak berubah.

Diagram Hubble galaksi [jarak vs redshift (kecepatan)] dari sampel indikator-jarak SNIa gabungan besar [direproduksi dengan izin dari ref. 14 () ESO]. Diagram Hubble baru-baru ini dari sampel gabungan besar galaksi yang menggunakan SNIa sebagai lilin standar untuk pengukuran jarak. Grafik menyajikan jarak (sebagai modulus jarak; proporsional terhadap log jarak) vs pergeseran merah z (Pergeseran Doppler, sebanding dengan kecepatan untuk pergeseran merah kecil: v / c c z ). 

Sampel SNIa yang berbeda dilambangkan dengan warna berbeda dan terdaftar dengan nama [sampel z rendah; Sampel Sloan SDSS; Survei warisan SN, SNLS; dan Hubble Space Telescope SNIa, HST; untuk detail dan referensi, lihat Betoule et al. ( 14)]. Garis hitam (yang sesuai dengan data dengan baik) mewakili hubungan d ( z ) yang diharapkan untuk kosmologi saat ini (alam semesta datar dengan kepadatan massa 30% dan konstanta kosmologis 70%) dan Konstanta Hubble H o = 70 km / s / Mpc. Bentuk sedikit deviasi pada jarak yang jauh adalah bukti akselerasi. Grafik 1929 Hubble Gambar 1 , diplot dengan sumbu kebalikan, v vs d ) akan muat di tempat kecil dekat / di bawah asal diagram ini.

Penemuan Hubble meresmikan bidang kosmologi observasional dan membuka alam semesta yang sangat luas untuk dijelajahi. Pengamatan struktur skala besar alam semesta, kelompok galaksi, SNIa (digunakan sebagai lilin standar untuk mengeksplorasi evolusi Hukum Hubble ke jarak yang jauh), dan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik telah mengungkapkan alam semesta yang menakjubkan: alam semesta yang datar (lengkungan spasial nol) dan mengandung 5% baryon (bintang, gas), 25% materi gelap nonbaryonic eksotis, dan 70% energi gelap yang menyebabkan laju ekspansi alam semesta saat ini semakin cepat. 

Hasil akselerasi kosmik yang menakjubkan ditemukan pada tahun 1998 ( 9 -12) menggunakan metode indikator jarak mirip dengan yang digunakan oleh Hubble, tetapi menggunakan SNIa yang sangat terang sebagai lilin standar yang akurat untuk mengukur evolusi laju ekspansi (Hubble Diagram) pada jarak yang jauh (waktu kosmik awal). 

Hasil mengejutkan menunjukkan  laju ekspansi telah mempercepat dalam ~ 6 miliar tahun terakhir. Sifat energi gelap misterius yang menyebabkan percepatan ini belum diketahui. Apakah itu konstanta kosmologis, mewakili kepadatan energi vakum, atau itu sesuatu yang lain? Ini adalah salah satu pertanyaan paling mendasar dalam kosmologi saat ini. 

Pencarian untuk menjawab pertanyaan ini sedang berlangsung. Teleskop luar angkasa Hubble, antara lain, saat ini sedang mengamati Hukum Hubble untuk jarak yang lebih jauh (menggunakan SNIa) untuk melacak evolusi yang tepat dari alam semesta yang mengembang. Hubungan linear yang diamati pada jarak kecil mulai menyimpang dari linearitas pada jarak besar karena kosmologi spesifik alam semesta, termasuk kepadatan massa kosmik (yang gravitasinya memperlambat ekspansi) dan jumlah dan sifat energi gelap (yang mempercepat ekspansi) . Penyimpangan kecil dari linearitas, terlihat pada jarak besar pada Gambar 2, memang bukti pengamatan untuk percepatan alam semesta ( 9 - 14).

Penemuan Hubble telah membuka penelitian luar biasa di berbagai bidang lain, seperti struktur alam semesta berskala besar, evolusi dan sifat-sifat galaksi dan quasar, dan evolusi alam semesta secara keseluruhan. 

Menggunakan Hukum Hubble memungkinkan penentuan penting jarak Hubble ke galaksi dan quasar (Jarak Hubble adalah yang berasal dari Hukum Hubble menggunakan kecepatan objek yang diamati; jarak ini mewakili jarak kosmik sejati ditambah komponen gerak kecil yang aneh). 

Pada gilirannya, jarak ini memungkinkan penentuan lokasi 3D dan distribusi jutaan galaksi dan quasar dari kecepatan Doppler (redshift) spektroskopi yang diamati yang diperoleh dari survei redshift besar galaksi [seperti survei langit digital Sloan ( 21 -23) dan lain-lain]. Survei semacam itu mengungkapkan jaringan galaksi berskala besar yang luar biasa saling berhubungan, gugusan galaksi, filamen, dan rongga (22,23). 

Jarak hubble secara rutin digunakan dalam astronomi untuk mengukur jarak ke galaksi dari pergeseran merah spektroskopi (relatif) yang mudah diukur dan bahkan dari pergeseran merah fotometriknya (diperoleh dari survei pencitraan multiband). Evolusi galaksi dan quasar dari alam semesta berusia billion1 miliar tahun hingga saat ini dimungkinkan dengan mengukur jarak-jarak ini. 

Penentuan usia jagad raya yang akurat juga dimungkinkan dari Hubble Constant yang diukur dengan tepat, bila digabungkan dengan parameter kosmologis di atas, menjadi 13,8 0,1 miliar tahun ( 15 -20). Usia ini sangat konsisten dengan usia bintang tertua. Ini hanyalah beberapa contoh aplikasi yang mencakup semua penemuan Hubble.

Dalam makalahnya, Hubble menyimpulkan, "Hasil ini menghasilkan hubungan linier kasar antara kecepatan dan jarak antara nebula yang kecepatannya telah diterbitkan sebelumnya, dan hubungan tersebut tampaknya mendominasi distribusi kecepatan ..... Data baru yang diharapkan dalam dalam waktu dekat dapat mengubah arti dari investigasi ini atau, jika dikonfirmasi, akan mengarah pada solusi beberapa kali lipat dari beratnya. "Memang, Hubble dan rekannya Milton Humason di Mount Wilson Observatory memperluas penyelidikan mereka dengan mengukur jarak tambahan dan kecepatan galaksi dalam pekerjaan tindak lanjut mereka, memperluas ke jarak 20 kali lebih besar (24), dan mengkonfirmasi hasil asli. 

Hari ini, 85 tahun kemudian, Hukum Hubble diberikan, diukur dengan presisi tinggi hingga skala kosmik yang jauh lebih besar daripada pandangan pertama Hubble ke lingkungan kosmik langsung kita.

Penemuan Hubble menggambarkan kisah ilmiah yang luar biasa: jaraknya memiliki kesalahan sistematis besar dengan faktor tujuh, kecepatannya sebagian besar berasal dari yang diukur oleh Slipher, ia menggunakan sampel kecil hanya 24 galaksi terdekat, dan interpretasinya tentang hasil dalam istilah tentang model kinematik de Sitter saat itu salah; namun, hasil utamanya dari hubungan kecepatan vs jarak mengubah arah sains dengan mengungkapkan alam semesta yang mengembang. Hukum Hubble, Konstan Hubble, Waktu Hubble, dan Teleskop Luar Angkasa Hubble yang lebih baru hanyalah upeti untuk penemuan yang menakjubkan ini.

Daftar Pustaka: Edwin Hubble., A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae., PNAS 15 Maret 1929 15 (3) 168-173; doi.org