الفلك

سؤال عن معامل هابل (ثابت هابل) وقياسه

سؤال عن معامل هابل (ثابت هابل) وقياسه

أرى هذا السؤال في "مقدمة في علم الكونيات الحديث - أندرو ليدل - منشورات وايلي":

في الكون الحقيقي ، لا يكون التوسع موحدًا تمامًا. بدلاً من ذلك ، تُظهر المجرات بعض الحركة العشوائية نسبةً إلى توسع هابل الكلي ، والمعروف باسم pecuLiar veLocity ، والناجمة عن جاذبية جيرانها القريبين. لنفترض أن السرعة الغريبة النموذجية للمجرة (مثل جذر متوسط ​​التربيع) هي 600 كم / ث ، إلى أي مدى يجب أن تكون المجرة بعيدة قبل أن يمكن استخدامها لتحديد ثابت هابل بدقة تصل إلى عشرة بالمائة ، بافتراض

(أ) القيمة الحقيقية لثابت هابل هي 100 km / s Mpc؟

(ب) القيمة الحقيقية لثابت هابل هي 50 km / sMpc؟

افترض في حسابك أنه يمكن قياس مسافة المجرة والانزياح الأحمر بدقة. لسوء الحظ ، هذا لا ينطبق على الملاحظات الحقيقية.

أنا حقًا لا أعرف كيف أبدأ في حل هذا. ماذا نحتاج لإيجاد ثابت هابل. أنا أعرف $ v = H.r $ لكني لا أعرف كيف أحسب تأثير السرعة الغريبة. لا نعلم $ v $ و $ r $ في صيغة هابل ، كيف تجد $ H $?


يمكنك أن تبدأ من خلال تحديد السرعة التي يجب أن تنحسر بها المجرة إذا كانت سرعتها الغريبة (المعطاة بحوالي 600 كم / ثانية) أقل من أو تساوي 10٪ من سرعة تمددها.

لن أوضح الخطوة التالية كما قلت إنك لا تعرف من أين تبدأ.


سؤال عن وحدات هابل الثابت

وحدات ثابت هابل هي km / s / MegaPersec. نظرًا لأن ثابت هابل يقيس معدل تمدد الكون ، فإن هذه الوحدة لا تعني لي. كنت أتمنى أن يوضح لي شخص ما هنا. شكرا

يعطي ثابت هابل السرعة التي تنحسر بها المجرات البعيدة عن الأرض (وعن بعضها البعض).

مجرة تقع d = 10 Mpc بعيدًا عنا تتراجع بسرعة v = d x H = 721 km / s

مجرة تقع على بعد d = 100 Mpc بعيدًا عنا تتراجع بسرعة v = 7.210 كم / ثانية

نعم. قد يكون من المغري إلغاء الوحدات المكانية ، لكن & # x27phrasing & # x27 وحداتنا بهذه الطريقة تجعلنا نشجعنا على كيفية استخدامنا لمعامل هابل بالفعل. اكتشفنا أن الأشياء في الكون البعيدة عنا تبدو وكأنها تنحسر أسرع من الأجسام الأقرب. لذلك يمكننا على الفور الحصول على تقدير تقريبي لسرعة ركود الأجسام إذا عرفنا المسافة ، أو (أكثر شيوعًا) نعرفها عن طريق قياس سرعة ركودها (باستخدام التحليل الطيفي للسرعة الشعاعية على سبيل المثال).

إنه & # x27s بسبب كيفية استخدامنا لمعامل hubble وبسبب طبيعة اكتشافه (الذي فزت & # x27t بالذهاب إليه هنا ولكن يجب أن تحتوي صفحة Wikipedia على مناقشة بخصوص عمل Edwin Hubble & # x27s) الوحدات هي بالطريقة التي هي عليها . إذا كان ذلك مفيدًا ، فلا تفكر في الوحدات على أنها:

بدلاً من ذلك: الطريقة التي يفكر بها علماء الفلك في هذه الوحدات هي (السرعة) / (الفضاء). أو السرعة لكل وحدة مسافة بعيدة عنا.


يتساءل الباحثون عن قياس ثابت هابل بواسطة فريق ريس الحائز على جائزة نوبل

مقارنة القياسات المختلفة لثابت هابل. الائتمان: & copyScience China Press

في عام 1920 ، أظهر إدوين هابل ، عالم الفلك الأمريكي ، أن سرعة ارتداد المجرة تزداد مع بعدها عن الأرض ، المعروف باسم قانون هابل. يُعتبر قانون هابل أول أساس رقابي لتوسع الكون ، ويقدم دليلًا قويًا على نموذج الانفجار العظيم. تسمى قيمة معدل التمدد بثابت هابل. يعتبر ثابت هابل معلمة حاسمة في علم الكونيات وقياس ثابت هابل هو مهمة أساسية لعلماء الفيزياء الفلكية وعلماء الكونيات. اقترح مؤخرًا فريق صيني بقيادة البروفيسور تشينغ جو هوانغ من معهد الفيزياء النظرية في الأكاديمية الصينية للعلوم استخدام مجموعات بيانات Baryon Acoustic Oscillation (BAO) لتحديد ثابت هابل بدقة. نُشر عملهم ، بعنوان "تحديد دقيق لثابت هابل من مجموعات بيانات التذبذب الصوتي الباريون" ، في Sci China-Phys Mech Astron 2015 ، المجلد. 58 رقم 9.

الكون يتوسع. يمكن للمرء أن يسأل على الفور ما هو معدل تمدد الكون ، أي قيمة ثابت هابل. في إطار النسبية العامة التي اقترحها ألبرت أينشتاين منذ مائة عام ، يمكن أيضًا تحديد كثافة الطاقة الإجمالية لكوننا بواسطة ثابت هابل لأن كوننا مسطح مكانيًا.

عادةً ، وفقًا لقانون هابل ، يتم تقدير قيمة ثابت هابل عن طريق قياس الانزياح الأحمر للمجرات البعيدة وتحديد المسافات إلى نفس المجرات. بالنسبة لمعظم النصف الثاني من القرن العشرين ، قُدر ثابت هابل بما يتراوح بين 50 و 100 كم / ثانية / Mpc. إلى أن أصدر تلسكوب هابل الفضائي ومشروعه الرئيسي نتائجهما ، تم قياس ثابت هابل بدقة في المرة الأولى. تم تحسين هذه النتيجة بشكل كبير من قبل الحائز على جائزة نوبل آدم ريس ومعاونيه في عام 2011.

يعتبر BAO مسطرة قياسية في الكون ويستخدم لاستكشاف تاريخ توسع الكون. ومع ذلك ، عادة ما يعتقد البعض أن بيانات BAO وحدها لا يمكن استخدامها لتحديد ثابت هابل. هذا صحيح بالنسبة لمجموعات بيانات BAO ذات الانزياح الأحمر المنخفض فقط بسبب الانحطاط. ولكن ، "يمكن استخدام مجموعة بيانات الانزياح الأحمر المنخفض والعالي BAO لتحديد ثابت هابل بدقة" ، كما قال المؤلفون. بالإضافة إلى ذلك ، وجدوا أن الانزياح الأحمر المنخفض متباين الخواص BAO وحده يمكن استخدامه لتحديد ثابت هابل بدقة أيضًا. من خلال الجمع بين مجموعتي بيانات BAO الخواص والمتباينة الخواص ، حققوا تحديد ثابت هابل بدقة تبلغ حوالي 1.3٪! ومع ذلك ، فإن نتيجتهم منخفضة نسبيًا مقارنة بالنتيجة التي حصل عليها ريس وآخرون.

من ناحية أخرى ، يمكن أيضًا تحديد ثابت هابل من خلال تباين الخواص في الخلفية الكونية الميكروية ، على سبيل المثال البيانات من القمر الصناعي بلانك ، بشكل غير مباشر. في الثابت الكوني ونموذج المادة المظلمة الباردة ، تشير البيانات الصادرة عن القمر الصناعي بلانك في عام 2013 إلى أن ثابت هابل أقل أيضًا من ذلك الذي حصل عليه ريس وآخرون ، ولكنه يتوافق مع ذلك الذي حصل عليه هذا الفريق الصيني. تظهر المقارنة بين قياسات ثابت هابل المختلفة في الشكل 1.

الآن النتيجة التي حصل عليها Riess et al. تم استجوابه. على سبيل المثال ، أعاد G.Efstathiou تحليل Riess وآخرون. بيانات سيفيد. استنادًا إلى مسافة المازر الهندسية المنقحة إلى NGC 4258 ، وجد أن ثابت هابل كان متسقًا مع كل من قمر بلانك ومجموعات بيانات BAO.

من المعروف أن القياس الدقيق لثابت هابل لديه القدرة على الكشف عن فيزياء جديدة غريبة ، على سبيل المثال ، طاقة مظلمة متغيرة بمرور الوقت ، أو جسيمات نسبية إضافية ، أو كتلة نيوترينو. قدم الفريق الصيني بقيادة البروفيسور Qing-Guo Huang مساهمة مهمة في قياس ثابت هابل.


تسريع الكون ، تقليل ثابت هابل

أجاب Ich تماما. سأكرر فقط للتأكيد. لا ، نحن لا نعني ما قلته. عندما نقول أن الكون يتسارع ، فإننا نعني أن التوسع يتسارع (زيادة في معدل الوقت لزيادة عامل التدرج)

إن مقبضنا على حجم الكون هو عامل التدرج a (t). ما يتم توصيله بمقياس فريدمان ويجعل المسافات تتوسع.
عامل التحجيم هو الشيء الرئيسي في نموذج فريدمان. تحكم معادلتا فريدمان تطور عامل التوسع.

(ابحث عن معادلات فريدمان على ويكي)

لا تقلق بشأن معدل هابل. إنه مجرد رمز تقليدي للنسبة a / a.
إنه يتعلق بطريقة مناسبة بالملاحظات ، وهو مفيد للغاية ، ولكنه ليس أساسيًا.
الشيء الحقيقي الذي يجب أن تفكر فيه هو (t). إنه العمود الفقري والشجاعة للنموذج.

عندما يقول الناس & quotthe الكون يتوسع & quot ؛ فهذا لا يعني شيئًا غير ذلك
أ '(ر) و GT 0

عندما يقول الناس & quotthe فإن التوسع يتسارع & quot ؛ فهذا لا يعني شيئًا آخر غير
a & quot (t) & gt 0.

لا يوجد سبب يدعو إلى الاستغراب من تناقص H (t). H (t) هو مجرد شيء محدد ليكون مساويًا لـ '(t) / a (t) ومن الطبيعي تمامًا لوظيفة تتزايد بمعدل متزايد أن تكون هذه النسبة الخاصة تتناقص. هنا مثال:

دع f (t) = t 3 على المحور الحقيقي الإيجابي.

ثم f '(t) = 3t 2 وهو أمر موجب لذلك تتزايد f

و f & quot (t) = 6t وهو أمر إيجابي وبالتالي فإن الزيادة تتسارع.

ولكن ما يمكن أن يكون مشابهًا لـ H ، أي f '(t) / f (t) = 3t 2 / t 3 = 3 / t ،

رانكو ، شكرا لنشر هذا السؤال في المنتدى. إنه بناء. كثير من الناس لا يفهمون ما تعنيه & quot ؛ التوسع المتسارع & quot إذا كان هناك شيء حول هذا الأمر لا تفهمه الآن ، فيرجى طرح المزيد من الأسئلة. استمر في السؤال حتى يتضح.


ما هو ثابت هابل؟

حتى ما قبل قرن مضى ، كان يُعتقد أن مجرتنا هي العائلة الوحيدة من النجوم التي تحتل الكون. افترض الفلاسفة ، ولا سيما إيمانويل كانط في القرن الثامن عشر ، وجود عائلات أخرى من النجوم خارج نطاق مجموعتنا. لسوء الحظ ، فإن افتراضاتهم - على الرغم من صحتها - لم تكن مبنية على بيانات تجريبية ، وبالتالي لا يمكن إثباتها.

بدأ هذا يتغير خلال عشرينيات وثلاثينيات القرن الماضي ، حيث وضع عالم الفلك إدوين هابل نصب عينيه مجرات أخرى باستخدام التلسكوب الذي يبلغ ارتفاعه 2.5 مترًا (100 بوصة) الذي تم تشييده مؤخرًا على جبل ويلسون في جنوب كاليفورنيا. لأول مرة ، تمكن هابل من رؤية النجوم الفردية بوضوح داخل M31 - مجرة ​​المرأة المسلسلة. لأول مرة ، عُرف وجود عائلات النجوم خارج مجرة ​​درب التبانة.

اكتشف هابل أيضًا شيئًا آخر - كل مجرة ​​تقريبًا تبتعد عن بعضها البعض بسرعات هائلة. وجد أيضًا أن هذه المجموعات من النجوم تسافر بمعدل يعتمد على بعدها عنا - المجرات البعيدة تبتعد عنا بسرعة أكبر من الأجسام المحلية. (بالمناسبة ، لا يوجد شيء مميز في مكانتنا في الكون. ويمكن رؤية نفس التأثير من أي مكان في الكون المتوسع).

السؤال الكبير - الذي لا يزال بحاجة إلى إجابة دقيقة اليوم - هو ما مدى سرعة سفرهم؟

بدأ التوسع - انتظر!

منذ الانفجار العظيم ، كان الكون يتوسع.

قام إدوين هابل بقياس السرعة التي تتسابق بها المجرات بعيدًا عن بعضها البعض. وجد أن المجرات تخضع لعلاقة ، تُعرف الآن باسم قانون هابل ، تُظهر علاقة خطية بين المسافة إلى المجرة وسرعتها المتراجعة. هذه السرعة هي ببساطة نتيجة قياس المسافة إلى المجرة وضربها في ثابت هابل.

تظهر قيمة ثابت هابل عادةً بوحدات فردية ، والتي قد تبدو غير مألوفة - كيلومترات في الثانية لكل ميجا فرسخ (كيلومتر / ثانية / Mpc). لنبدأ في النهاية - فرسخ فرسخ هو وحدة مسافة تساوي تقريبًا 3.26 سنة ضوئية. لذلك ، فإن الميغا فرسك (مليون فرسخ فلكي) هي مسافة تساوي حوالي 3.26 مليون سنة ضوئية.

إذا كان معدل تمدد الكون 70 كم / ثانية / Mpc ، فإن مجرة ​​تبعد عنا بمسافة 10 ميغا فرسخ - نظريًا - ستبتعد بسرعة (70 مرة 10 ، أو) 700 كيلومتر في الثانية. (هذا في الواقع قريب جدًا ، ستكون تأثيرات الجاذبية المحلية مهمة ، لكن هذا المثال يوضح الرياضيات). المجرة التي تبلغ ضعف تلك المسافة سيكون لها سرعة ارتدادية ضعف تلك السرعة ، وهكذا.

ثم يصبح السؤال - ما هي قيمة ثابت هابل؟ هذا أحد أهم الأسئلة في علم الكونيات والفيزياء الفلكية اليوم.

طرح السؤال الصحيح

لقياس ثابت هابل ، يحتاج المرء إلى قياس المسافات بدقة للأجسام البعيدة. فيما يلي نظرة على الطرق التي يستخدمها علماء الفلك لقياس هذه المسافات الهائلة. رصيد الصورة: NASA / ESA / A. فيلد (STScI)

يستخدم علماء الفلك عدة طرق لقياس ثابت هابل. ومع ذلك - ظهرت لغز. تنتج ملاحظات الكون المحلي قيمًا مختلفة عن تلك التي تم الحصول عليها من دراسة الكون القديم (الأبعد).

بشكل نموذجي ، تظهر ملاحظات المجرات في جوار المجرة أن ثابت هابل يبلغ حوالي 73 كم / ثانية / Mpc. تُظهر ملاحظات التموجات في الزمكان من بدايات الكون أن قيمة حوالي 67 كم / ثانية / Mpc - ما يقرب من 10٪ فرق.

إن معرفة القيمة الحقيقية لثابت هابل سيسمح لعلماء الفيزياء الفلكية بتحديد الكثير عن الكون ، بما في ذلك عمره ، لدرجة دقة غير معروفة اليوم.

كانت المجرة البيضاوية NGC 1453 واحدة من 63 مجرة ​​تم فحصها في هذه الدراسة الجديدة. رصيد الصورة: مسح كارنيجي-إيرفين غالاكسي

"يتم حساب عمر الكون باستخدام معدل التمدد من قياسات المسافة الدقيقة ، ويتم تحسين العمر المحسوب بناءً على ما إذا كان الكون يبدو أنه يتسارع أو يتباطأ ، بالنظر إلى كمية المادة التي يتم ملاحظتها في الفضاء. يشير معدل التوسع السريع إلى أن الكون لم يتطلب وقتًا طويلاً للوصول إلى حجمه الحالي ، وبالتالي فهو أصغر مما لو كان يتوسع ببطء أكبر ، "تشرح وكالة ناسا.

تفحص دراسة جديدة متوسط ​​سطوع النجوم داخل المجرات الإهليلجية لقياس مسافاتها عن الأرض بدقة أكبر. باستخدام تقنية تذبذب سطوع السطح (SBF) ، فحص علماء الفلك 63 مجرة ​​إهليلجية عملاقة بالقرب منا ، بحثًا عن قياس مستقل لثابت هابل (غالبًا ما يُختصر بـ H-naught).

الرقم الذي وجدوه لـ H-naught - 73.3 كم / ثانية / Mpc - يتوافق مع ثلاث طرق أخرى مستخدمة لقياس ثابت هابل من المجرات القريبة. يصل متوسط ​​هذه القيم إلى 73.5 كم / ثانية / ميغاباسكال.

شوهد الكائن الأكثر بعدًا في هذه الدراسة 99 Mpc (حوالي 323 مليون سنة ضوئية) من الأرض - وهو جزء صغير من حجم الكون.

"لقياس المسافات إلى المجرات حتى 100 ميغا فرسخ ، هذه طريقة رائعة. هذه هي الورقة الأولى التي تجمع مجموعة كبيرة ومتجانسة من البيانات ، على 63 مجرة ​​، بهدف دراسة H-naught باستخدام طريقة SBF ، "يشرح عالم الكونيات Chung-Pei Ma من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي.

Dark Matter هو أفضل طبق يقدم باردًا ...

المجرات الإهليلجية هي عائلات قديمة للنجوم الأقدم ، ومعظمها عملاق أحمر ، وتوفر إشارة ثابتة للأشعة تحت الحمراء عبر امتدادها. تم فحص الصور التي تم الحصول عليها بواسطة تلسكوب هابل الفضائي ، وقياس سطوع كل بكسل في الصورة ، ومقارنتها بمتوسط ​​السطوع المرئي في الصورة. شوهدت صور أكثر سلاسة من مجرات بعيدة ، مما أتاح لعلماء الفلك فرصة قياس المسافة إلى هذه الأهداف الـ 63 بدقة.




مقابلة مع سكوت لامبروس ، مدير أنظمة الأدوات في تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، يتحدث عن هذه الأداة الثورية التي يمكن أن تساعدنا في فهم أحد الألغاز العظيمة في العلم. رصيد الفيديو: The Cosmic Companion.

توفر أوجه التشابه بين هذا القياس وغيره من القياسات التي تم العثور عليها من خلال فحص المجرات المحلية دليلًا إضافيًا على أن ثابت هابل من المحتمل أن يكون حوالي 73 كم / ثانية / Mpc.

إذن ، ماذا عن القيم الأدنى لـ H-naught التي تم الحصول عليها من ملاحظات الكون المبكر؟ إذا كانت هذه الأرقام غير صحيحة ، فإنها ستغير بشكل جذري نموذج المادة المظلمة الباردة لامدا (CDM) في الكون. تصف هذه النظرية الكثير عن تطور الكون باستخدام عدد قليل من المعلمات.

"بمجرد أن تقبل الكون باعتباره مادة تتوسع إلى لا شيء ، فإن ارتداء خطوط منقوشة يصبح أمرًا سهلاً." - البرت اينشتاين

إن العثور على نموذج آلية التنمية النظيفة غير صحيح سيغير بشكل جذري فهمنا للكون. لا يزال هناك احتمال أن تتمكن بعض الفيزياء غير المعروفة حاليًا من التوفيق بين القيمتين المختلفتين جذريًا لثابت هابل. لكن يظل هذا السؤال أحد أكبر ألغاز العلم الحديث.

سيكون تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، المقرر إطلاقه في عيد الهالوين 2021 ، أقوى 100 مرة من تلسكوب هابل الفضائي. ستزود هذه الأداة الثورية علماء الفلك بأفضل قياساتهم حتى الآن لثابت هابل كما تم قياسه بواسطة المجرات القريبة. ومن المحتمل أن يجيب على أحد أعظم ألغاز الكون.

تم الإبلاغ عن تفاصيل الدراسة في مجلة الفيزياء الفلكية.

جيمس ماينارد

جيمس ماينارد هو مؤسس وناشر The Cosmic Companion. إنه مواطن من نيو إنجلاند تحول إلى فأر الصحراء في توكسون ، حيث يعيش مع زوجته الجميلة نيكول وماكس ذا كات.


العنوان: معلمة هابل وقيود قياس التذبذب الصوتي للباريون على ثابت هابل ، والانحراف عن نموذج ΛCDM المسطح المكاني ، والانزياح الأحمر للانتقال بين التسارع والتباطؤ ، والانحناء المكاني

نقوم ببناء مجموعة كاملة من بيانات معامل هابل الموثوقة H (z) للانزياح الأحمر z ≤ 2.36 ونستخدمها مع نهج العملية الغاوسية لتحديد وظائف H (z) المستمرة لمجموعات فرعية مختلفة من البيانات. من هذه H (z) المستمرة ، التي تلخص عبر مجموعات البيانات الفرعية التي تم النظر فيها ، نجد H 0

67 ± 4 km s - 1 Mpc – 1 ، أكثر اتساقًا مع القيم المنخفضة الأخيرة التي لوحظت باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. في معظم مجموعات البيانات الفرعية ، نرى انتقال تباطؤ - تسارع كوني عند أهمية 2σ ، مع تغير الانزياح الأحمر لمجموعات البيانات الفرعية بما يزيد عن 0.33 دولار لتر _ < mathrm> lt 1.0 $ عند 1σ دلالة. نكتشف أن نموذج ΛCDM المسطح يتوافق مع بيانات H (z) إلى z من 1.5 إلى 2.0 ، اعتمادًا على مجموعة البيانات الفرعية التي تم أخذها بعين الاعتبار ، مع انحرافات بمقدار 2σ من ΛCDM المسطح فوق نطاق الانزياح الأحمر هذا. باستخدام H (z) المستمر مع ملاحظات baryon الصوتية للتذبذب والانزياح الأحمر ، نقوم بتقييد معامل كثافة الانحناء المكاني الحالي ليكون $ << rm < Omega >>> _= -0.03 pm 0.21 $ ، بما يتفق مع كون مسطح ، لكن شريط الخطأ الكبير لا يستبعد القيم الصغيرة للانحناء المكاني التي هي الآن قيد المناقشة.

  1. جامعة نانجينغ. (الصين) جامعة ولاية كانساس ، مانهاتن ، كانساس (الولايات المتحدة)
  2. جامعة ولاية كانساس ، مانهاتن ، كانساس (الولايات المتحدة)
  3. جامعة نانجينغ. (الصين)

تنسيقات الاقتباس

67 ± 4 km s - 1 Mpc – 1 ، أكثر اتساقًا مع القيم المنخفضة الأخيرة التي لوحظت باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات. في معظم مجموعات البيانات الفرعية ، نرى انتقال تباطؤ-تسارع كوني عند أهمية 2σ ، مع تغير انزياح أحمر لمجموعات البيانات الفرعية عبر .33 lt _ < mathrm> lt 1.0 $ عند 1σ دلالة. نكتشف أن نموذج ΛCDM المسطح يتوافق مع بيانات H (z) إلى z من 1.5 إلى 2.0 ، اعتمادًا على مجموعة البيانات الفرعية التي تم أخذها بعين الاعتبار ، مع انحرافات بمقدار 2σ من ΛCDM المسطح فوق نطاق الانزياح الأحمر هذا. باستخدام H (z) المستمر مع ملاحظات baryon الصوتية للتذبذب والانزياح الأحمر ، نقوم بتقييد معامل كثافة الانحناء المكاني الحالي ليكون $ << rm < Omega >>> _= -0.03 pm 0.21 $ ، بما يتفق مع كون مسطح ، لكن شريط الخطأ الكبير لا يستبعد القيم الصغيرة للانحناء المكاني التي هي الآن قيد المناقشة.>،
دوى = <10.3847 / 1538-4357 / aab0a2> ،
مجلة = ,
العدد = 1 ،
الحجم = 856 ،
مكان = ,
السنة = <2018> ،
الشهر = <3>
>


سؤال عن معامل هابل (ثابت هابل) وقياسه - علم الفلك

إذن ، كيف حدد علماء الفلك وعلماء الكون معامل هابل؟ حدد إدوين هابل لأول مرة قيمة في عام 1929 تبلغ 500 كم / ثانية / Mpc ، بناءً على ملاحظاته للأجسام البعيدة للغاية في جبل. مرصد ويلسون في جنوب كاليفورنيا. استمر علماء الفلك في جمع البيانات لمراجعة معلمة هابل ، وقد حقق آلان سانديج تقديرًا جيدًا قدره 75 كم / ثانية / Mpc في عام 1958. وكان هذا تغييرًا مهمًا على التقدير الأولي لهابل. أصبح الجدل حادًا للغاية ، حيث قام Sandage بمراجعة تقديراته إلى حوالي 50 كم / ثانية / مليون متر مكعب واقترح جيرارد دي فوكلور قيمة حوالي 90 كم / ثانية / مليون متر مكعب. هذا النطاق الواسع من مقياس هابل والمناقشات استمرت حتى منتصف التسعينيات ، عندما ساعدت البيانات من المركبات الفضائية مثل تلسكوب هابل الفضائي في الحصول على قيم أفضل لمعامل هابل.

قدمت المركبات الفضائية المختلفة قيمًا مختلفة لمعامل هابل. وتعتمد كل من هذه القيم على نوع الكائن الذي يتم ملاحظته أو المنهجية المستخدمة. جمع علماء الفلك وعلماء الكونيات البيانات من المستعرات الأعظمية من النوع 1a ، والنجوم Cepheid المتغيرة ، وعدسات الجاذبية ، وخلفية الموجات الكونية الميكروية ، ومؤخراً موجات الجاذبية.

دعونا نلقي نظرة على كيفية تغيير معلمة هابل الأشياء ، وتحديداً عمر الكون. تذكر قانون هابل:

ت & أمبير ؛ أمبير ؛ ح ا د

قسمة كلا الجانبين على d ، يحل لـ H. ا :

ت / د & أمبير ؛ ح ا

نظرًا لأن v & ampequals d / t (السرعة تساوي المسافة مقسومة على الوقت ، على سبيل المثال 65 ميلًا / ساعة) لاستبدال v:

د / ر / د & أمبير ؛ ح ا

1 / t & ampequals H. ا

& ampequals 1 / H. ا

هذه المعادلة - & ampequals 1 / H. ا- يعطي المرء علاقة مباشرة بين عمر الكون ومعلمة هابل. لذا ، دعونا نلقي نظرة على كيفية عملها لتحديد عمر الكون.

دعنا نستخدم قيمة لمعامل هابل ، H ا ، 70 كم / ثانية / مليون قطعة. هذا يعطينا:

& ampequals 1 / H. ا & ampequals1 / 70 km / s / Mpc

ومع ذلك ، فإن هذه الوحدات لا تشبه الوقت ، باستثناء الثواني. ونحتاج - يريد - عمر الكون بالسنوات. لذلك قم أولاً بإلغاء وحدات المسافة بقسمة 3.09 × 10 19 كم / ميغاباسك على معلمة هابل المحددة:

(3.09 × 10 19 كم / Mpc) / (70 كم / ثانية / Mpc) & أمبير ؛ يساوي 4.41 × 10 17 ثانية (ثانية)

هناك 3.16 × 10 7 ثواني في السنة. لتحويل الثواني إلى سنوات ، اقسم عدد الثواني أعلاه على 3.16 × 10 7 s / yr:

(4.41 × 10 17 ثانية) / (3.16 × 10 7 ثانية / سنة) ويساوي 1.396 × 10 10 سنوات أو 13.96 مليار سنة

دعونا نرى مثالاً آخر ، بناءً على التقدير الأصلي لإدوين هابل لمعامل هابل ، Ho ، وهو 500 كم / ثانية / Mpc:

& ampequals 1 / H. ا & ampequals1 / 500 km / s / Mpc

(3.09 × 10 19 كم / ميغاباسك) / (500 كم / ثانية / مليون قطعة) & أمبير ؛ يساوي 6.18 × 10 16 ثانية (ثانية)

(6.18 × 10 16 ثانية) / (3.16 × 10 7 ق / سنة) & أمبير ؛ يساوي 1.92 × 10 9 سنوات أو 1.92 مليار سنة

لذلك ، عند مقارنة قيمتي معامل هابل ، H ا :

معلمة هابل ، H ا عمر الكون
70 كم / ثانية / مليون قطعة 13.96 مليار سنة
500 كم / ثانية / مليون قطعة 500 كم / ثانية / مليون قطعة

بالنسبة لمعامل هابل البالغ 70 كم / ثانية / Mpc ، بالقرب من النطاق الذي يستخدمه علماء الفلك وعلماء الكونيات اليوم ، فإن هذا الكون أقدم بنحو 7.27 مرة من تقدير هابل لعام 1929.


مشكلة هابل: نقاش كوني يتوسع بسرعة

يتوسع الكون بمعدل متسارع ، ولكن ما مدى سرعة هذا التوسع؟

كنا نظن أننا نعرف الإجابة على هذا السؤال. لكن النتائج الأخيرة ألقت بظلال من الشك على فهمنا.

بدأت هذه القصة في الولايات المتحدة في عشرينيات القرن الماضي. في ذلك الوقت ، اعتقد معظم علماء الفلك أن مجرتنا كانت كل ما هو موجود - إنها الكون بأكمله.

لكن ملاحظات عالم الفلك إدوين هابل ستغير فهمنا لمكاننا في الكون.

خلال العقد الماضي ، حددت عالمة الفلك الأمريكية Henrietta Swan Leavitt العلاقة بين اللمعان وفترة فئة من النجوم النابضة المعروفة باسم متغيرات Cepheid.

مكّن هذا الاكتشاف الرئيسي علماء الفلك من التنبؤ بدقة بالمسافة إلى هذه النجوم ، مما وفر نوعًا من شريط القياس الكوني لقياس مسافات أكبر بكثير مما كان ممكنًا من قبل.

أثناء دراسة متغيرات السيفيد في السدم الحلزونية ، أدرك هابل أن هذه النجوم يجب أن تكون موجودة بعيدًا عن مجرتنا.

أدى ذلك إلى إدراك أن مجرة ​​درب التبانة كانت مجرد مجرة ​​واحدة من بين العديد من المجرات.

سرعان ما اكتشف هابل أن كل هذه المجرات الأخرى تقريبًا تبتعد عنا. أدى هذا إلى استنتاج عالم الكونيات البلجيكي جورج لوميتر أن الكون يتوسع.

اشتق هابل و Lemaître بشكل مستقل علاقة رياضية لوصف هذا التوسع. سرعة الركود (v) للمجرة تساوي المسافة (D) مضروبة في ثابت هابل - وهي القيمة التي تصف معدل التوسع في الوقت الحالي.

تقليديا ، يتم تحديد ثابت هابل عن طريق قياس المسافة وسرعة انحسار المجرات ، باستخدام الأجسام الفلكية ذات السطوع المعروف. وتشمل هذه "الشموع القياسية" المستعرات الأعظمية من النوع 1 أ - والتي هي أساسًا النجوم القزمة البيضاء المنفجرة والتي لها كتلة حرجة معينة.

الآن ، لنعد سريعًا إلى عام 2013.

من خلال تحليل خرائط الخلفية الكونية الميكروية من مهمة بلانك ، تمكن علماء الفلك من حساب القيمة الأكثر دقة حتى الآن لثابت هابل: 67.4 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ.

في حد ذاته ، قد يكون من الصعب فهم معنى ثابت هابل. لكنها مهمة لأنها تملي عمر الكون وفهمنا لكيفية تطوره.

لذلك كانت صدمة كبيرة في عام 2016 عندما وصل مشروع بقيادة آدم ريس الحائز على جائزة نوبل إلى قيمة أعلى بكثير لثابت هابل: 73.2 كيلومترًا في الثانية لكل ميجا فرسخ. تشير هذه القيمة إلى أن الكون أصغر مما كنا نظن.

قاد ريس مشروع SH0ES ، والذي تضمن قياس متغيرات Cepheid لأصدقائنا القدامى ، وهو نفس النوع من النجوم الذي مكّن من إنجازات Swann Leavitt و Hubble.

يبدو أن نتيجة SH0ES مدعومة بمشروع آخر باسم ملتوي ، H0LiCOW.

هذا المشروع ، بقيادة شيري سويو ، يحسب ثابت هابل باستخدام طريقة بارعة أخرى: عدسة الجاذبية للضوء المنبعث من الكوازارات. هذه هي نوى المجرة النشطة المضيئة التي تظهر اختلافات في السطوع.

بالنظر إلى المستقبل ، إذا أصبح التناقض بين قياس بلانك والقياسات المحلية لثابت هابل أقوى ، فقد ننظر إلى فيزياء جديدة.

قد يأتي قياس آخر مختلف لثابت هابل من المجال الناشئ لعلم فلك الموجات الثقالية.

من الناحية النظرية ، يمكن لعلماء الفلك الحصول على قيمة دقيقة لثابت هابل من خلال مراقبة موجات الجاذبية والضوء المنبعث من اندماج نجمين نيوترونيين. لكن لسوء الحظ ، فإن هذه الأحداث النشطة بشكل لا يصدق ، والمعروفة باسم kilonovae ، تثبت أنها قليلة ومتباعدة.

اكتشف المزيد حول لغز ثابت هابل في عدد يوليو 2020 من عالم الفيزياء.


على الرغم من أنه من الناحية النظرية يجب علينا جميعًا استخدام وحدات SI ، إلا أن هذه الوحدات ذات حجم غير مريح للأشياء الكبيرة جدًا أو الصغيرة جدًا ومن الشائع اختراع وحدات جديدة أكثر ملاءمة. لذلك ، على سبيل المثال ، يقيس فيزيائيو الجسيمات الكتلة في GeV (بالمعنى الدقيق للكلمة GeV / $ c ^ 2 $) ويقيس علماء الكونيات المسافة بالسنوات الضوئية و / أو الفرسخ.

في حالة ثابت هابل ، تبلغ أبعاده $ T ^ <-1> $ لذا فإن وحدة SI ستكون $ s ^ <-1> $. يحتوي زمن هابل على وحدات بقيمة $ T $ لذا ستكون وحدة SI هي الثانية. ومع ذلك ، إذا أخذنا قيمة $ H $ التي تم قياسها بواسطة Planck ، فسيكون $ 67 text مسافة نص^ <-1> / نصدولار ، والتحويل إلى وحدات في الثانية تكون القيمة حوالي 2.2 دولار مرة 10 ^ <-18> نص^ <-1> $ ، وهو أصعب كثيرًا في تذكره من الرقم 67 دولارًا. لهذا السبب يستخدم علماء الكونيات تلك الوحدات الغريبة نوعًا ما. طالما أن جميع علماء الكونيات يستخدمون نفس الوحدات ، فلا يهم حقًا ماهية الوحدات.

ثابت هابل ليس ثابتًا في الواقع وسيتغير في المستقبل. تعتمد كيفية تغيرها بالضبط على سلوك الطاقة المظلمة ، وهو أمر غير مؤكد إلى حد ما في الوقت الحالي.

الرد على التعليق:

لتحويل قيمة $ H $ إلى $ s ^ <-1> $:

وحدات $ H $ هي (مع إعادة الترتيب قليلاً) $ s ^ <-1> text/نص$. الكيلومترات و Megaparsecs كلاهما وحدتي طول ، لذا فإن نسبتهما عبارة عن رقم بدون أبعاد. إذا كان $ N $ هو عدد الكيلومترات في ميغا فرسك ، فإن النسبة هي فقط $ 1 / N $. تخبرنا Google بشكل مفيد أن عدد الكيلومترات في Mpc هو 3.09 دولار مرة 10 ^ <19> $ ، لذلك لتحويل ثابت هابل إلى وحدات في الثانية فقط قسّمه على 3.09 دولار ضرب 10 ^ <19> $.

ثابت هابل تقنيًا هو أ الوقت المتبادل. إذا لاحظت أن وحدتين في المجموعة (km / s) / Mpc هي في الواقع وحدات مسافة ، وبالتالي فإنها تلغي لإعطاء وقت متبادل ، أي $ mathrm^ <-1> $ ، ولكن مع عامل أولي. وقت هابل إذن هو المقابل له.

في الواقع ، أود أن أقول إن التفكير في الأمر على أنه وقت متبادل طبيعي أكثر من استخدام السرعة لكل مسافة ، لأن "الجوهر" الحقيقي للثابت ، على الأقل مع توسع هابل الثابت ، هو المسافات تتزايد أضعافا مضاعفة بنفس طريقة "تكبير" الصورة النقطية باستمرار مع زيادة قوة التكبير بشكل مطرد. على نحو فعال ، فإن البنية التحتية للكون تتفجر مثل هذه الصورة النقطية على مدار وقت طويل جدًا.

التعليق الآخر القائل بأن وحدات SI لا يمكنها توفير مقياس معقول هو تعليق خاطئ: هذا ما تستخدمه بادئات SI ، لتشكيل وحدات متعددة أكبر / أصغر من الوحدات الأساسية بطريقة قابلة للتحويل بسهولة. بدلا من $ mathrm^ <-1> $ ، الوحدة الأفضل هي $ mathrm^ <-1> $ ، أي متبادلة exaseconds، حيث يساوي واحد exasecond $ 10 ^ <18> mathrm$. للتعرف على هذا المقياس الزمني ، يبلغ العمر الحالي للكون حوالي 0.44 Es ، والأرض حوالي 0.14 Es. وبالتالي ، فإن واحد Es يزيد قليلاً عن ضعف عمر الكون المنقضي حتى الآن.

وبالتالي ، في نظام وحدة النظام الدولي المستخدم بالكامل ، تكون القيمة

مع عدم اليقين الواسع ، حيث يبدو أن هناك بعض التضارب المثير للاهتمام (لم يتم حله بعد!) بين الطرق المختلفة لتقييم هذا الثابت. ما تعنيه هذه القيمة هو أنه في كل exasecond ، يخضع مقياس البنية التحتية الدقيقة لـ 2.3 "$ e $ -foldings" ، أو تكبير / تصغير كل منها بمعامل تكبير $ e times $ ، أي $ حوالي 2.718 مرة دولار لكل منهما.

السبب في أن السرعة لكل مسافة مفيدة ، على الرغم من ذلك ، هو أننا في كثير من الأحيان نريد تقدير سرعة الارتداد لجسم بعيد. إذا كانت المسافة إلى كائن ما تزداد أضعافا مضاعفة مع مرور الوقت ، أي

ثم يتم تحديد السرعة الظاهرة التي يتحرك بها بعيدًا

حيث $ D_0 $ هي المسافة في الوقت الحالي ، وبالتالي فإن سرعة الركود في الوقت الحالي ($ t = 0 $) هي $ H_0 D_0 $ ، مضروب هابل الثابت في المسافة الحالية ، لذلك يمكن تفسيرها على أنها سرعة لكل مسافة ويمكننا طيها هذا في الوحدة من أجل البساطة.


ما هي القيمة الحالية لثابت هابل ولماذا القيمة مهمة جدًا؟

قيمة معلمة هابل يختلف مع الوقت ولذلك لا ينبغي أن يسمى ثابتًا. إنه ليس ثابتًا. لكن قيمتها لا تتغير بشكل ملحوظ في المقاييس الزمنية البشرية.

على الرغم من أن هذه معلمة كونية أساسية ، إلا أن تقدير قيمتها كان دائمًا محفوفًا بالمشاكل. وقد أدى الارتباك بشأن هذا إلى نقاش كبير بين فان دن بيرغ و جوستاف تامان في عام 1996.

ملحوظة : كانت المناقشة بعنوان "مقياس الكون"وعُقد في متحف سميثسونيان الوطني للتاريخ الطبيعي.

دافع فان دن بيرغ عن قيمة أعلى لمعامل هابل حول # 80 quad km.s ^ <-1> .Mpc ^ <-1> # بينما دافع Tammann عن قيمة أقل بالقرب من # 55 quad km.s ^ < -1> .Mpc ^ <-1> #.

قبل عام 1958 لم تكن هناك طريقة موثوقة لتحديد قيمتها. تم إجراء أول تقدير معقول لثابت هابل بواسطة آلان سانداج في عام 1958. (# H_0 = 75 quad km.s ^ <-1> Mpc ^ <-1> #).

فيما يلي مخطط يوضح تطور تقدير معلمة هابل.


شاهد الفيديو: ماذا بعد تلسكوب هابل (شهر اكتوبر 2021).