Edwin Hubble yhdysvaltalainen tähtitieteilijä Hubblen laki ja galaksit
Edwin Powell Hubble (20. marraskuuta 1889 – 28. syyskuuta 1953) oli yhdysvaltalainen tähtitieteilijä, jonka havainnot muuttivat perusteellisesti tieteellistä näkemystä maailmankaikkeudesta. Hubble syntyi Missourin osavaltiossa ja teki merkittävän uran erityisesti Kaliforniassa olevassa Mount Wilsonin observatoriossa, jossa hän käytti tuon ajan suurinta optista teleskooppia.
Biografia ja tausta
Hubble opiskeli luonnontieteitä ja sai laaja-alaisen sivistyksen; hän toimi myös sodan jälkeen tieteellisissä tehtävissä ennen kuin palasi tähtitieteelliseen tutkimukseen. Hän työskenteli pitkään Mount Wilsonin observatoriossa, missä 100-tuuman Hooker-teleskoopin havainto‑ominaisuudet mahdollistivat kaukaisempien kohteiden mittaukset ja avasivat tietä nykyiselle galaksitutkimukselle.
Tieteelliset läpimurrot
1920-luvun alussa Hubble osoitti, että oman galaksimme, Linnunradan, ulkopuolella on lukuisia itsenäisiä tähtiä ja galakseja. Käyttämällä muuttuvia tähtiä, erityisesti Cepheid-muuttuvia, hän pystyi määrittämään etäisyyksiä kaukaisiin tähtijärjestelmiin ja osoittamaan esimerkiksi, että Andromeda (M31) ei kuulu Linnunrataan vaan on oma galaksinsa. Tämä tulos julkaistiin 1920-luvun alkupuolella ja murti vallitsevan käsityksen maailmankaikkeuden rakenteesta.
Hubble kehitti myös järjestelmän galaksien luokittelemiseksi muodon perusteella. Tunnettu Hubblen luokittelu (”Hubble sequence” tai niin kutsuttu virveli‑kaavio) erottelee elliptiset, spiraali-, palkkispiraali‑ ja epäsäännölliset galaksit, ja se on ollut pitkään perusta galaksitutkimukselle ja -vertailulle.
Hubblen laki ja maailmankaikkeuden laajeneminen
Hubble havainnoi, että kaukaisten galaksien spektrit olivat siirtyneet kohti punaisempia aallonpituuksia – eli niissä esiintyi Doppler-ilmiö tai niin kutsuttu punasiirtymä. Hän huomasi, että punasiirtymän suuruus kasvoi suunnilleen lineaarisesti galaksin etäisyyden suhteessa Maasta. Tämä yhteys muotoutui muodossa, joka tunnetaan nyt Hubblen lakina: mitä kauempana galaksi on, sitä nopeammin sen etäisyys kasvaa suhteessa meihin.
On tärkeää korostaa, että punasiirtymien ensimmäiset mittaukset tehtiin jo aiemmin – erityisesti Vesto Slipher havaitsi monien galaksien (silloisten ”spiral nebulae” -kohteiden) spektrien siirtymiä vuosikymmenen alussa. Hubble yhdisti näitä punasiirtymiä omiin etäisyysmittauksiinsa ja muodosti niiden välisen matemaattisen suhteen, mikä teki vakiintuneen laajenevan maailmankaikkeuden käsityksen mahdolliseksi.
Vuonna 1929 Hubble julkaisi tuloksensa, ja siitä syntyneen lain nimi, Hubblen laki, jäi elämään. Kaksi vuotta aiemmin belgiasta kotoisin oleva pappi ja tähtitieteilijä Georges Lemaître oli jo julkaissut samanlaisen ajatuksen vähemmän tunnetussa julkaisussa (1927). Lemaîtren ja Hublen työn välillä on historiallista ja tieteellistä keskustelua siitä, kuka formuloi mitäkin ensimmäisenä, mutta nimi Hubblen laki on vakiintunut laajasti.
Nykyinen tulkinta: avaruuden laajeneminen ja kosmologia
Tänään punasiirtymät ymmärretään ensisijaisesti avaruuden eli tilan itseisarvon laajenemisen seurauksena tapahtuvaksi. Valon aallonpituudet venyvät, kun valo kulkee laajenevassa avaruudessa, ja tämä näkyy Hubble‑tyyppisenä punasiirtymänä. Hubblen lain numeerinen vakio, Hubble‑vakio (tai Hubble‑vakio), kuvaa laajenemisen nopeutta; sen tarkka arvo on ajan mittaan täsmentynyt ja sen määritys on yksi nykyisen kosmologian keskeisiä haasteita.
Menetelmät ja etäisyysaskelmat
Hubble käytti etäisyyksien mittaamisessa useita menetelmiä, joista Cepheid‑muuttujien käyttö oli keskeisin: näiden tähtien kirkkauden ja jakson välinen suhde toimii ”tähdistönä” etäisyyksien määrittämiseksi. Hublen työn pohjalta kehitettiin lisää etäisyysmittauksia ja niin kutsuttu etäisyysaskelma (distance ladder), joka yhdistää eri menetelmät pienten ja suurten etäisyyksien luotettavaan arviointiin.
Kiistat ja myöhemmät korjaukset
Alkuperäinen Hubblen luku maailmankaikkeuden laajenemisnopeudelle oli selvästi nykyisiä arvoja suurempi johtuen mm. etäisyyksien ali‑ tai yliarvioinneista ja silloin käytössä olleiden kalibrointien rajoituksista. Myöhemmät havaintojen parannukset ja tarkemmat menetelmät ovat laskeneet arvon nykyisiin arvioihin (kymmenien kilometrien sekunnissa per megaparsekki -luokkaan), mutta jännitteitä ja keskusteluja mittausarvojen välillä esiintyy yhä.
Perintö
Hublen työ auttoi osoittamaan selvästi, että maailmankaikkeus laajenee, ja se loi perustan modernille kosmologialle. On myös todettava, että jotkut historialliset tulkinnat yliyksinkertaistavat ketä creditoinnissa pitäisi mainita: Vesto Slipher, Georges Lemaître ja monet muut vaikuttivat olennaisesti siihen, että laajenevan universumin käsite vakiintui.
Hubble-avaruusteleskooppi on nimetty Hubblen mukaan. Hubble‑telescopi on laukaisuunsa (1990) jälkeen tarjonnut uskomattoman määrän korkealaatuisia havaintoja — mm. syväkenttäkuvat (Hubble Deep Field), tarkkoja galaksien kuvauksia ja mittauksia, jotka ovat edelleen keskeisiä kosmologian tutkimuksessa. Hubblen nimi yhdistyy siten sekä hänen alkuperäisiin havaintoihinsa että myöhempään avaruusteleskoopin kautta syntyneeseen tieteen edistykseen.
Edwin Hubble tunnetaan myös käytännöllisestä, havaintopohjaisesta lähestymistavastaan: hän käyttää tarkkoja havaintoja ja mittauksia muodostaakseen laajoja johtopäätöksiä universumin rakenteesta ja kehityksestä. Hänen työnsä on yksi modernin tähtitieteen kulmakivistä.
Absorptioviivat kaukana sijaitsevan galaksien superjoukon optisessa spektrissä (oikealla) verrattuna absorptioviivoihin Auringon optisessa spektrissä (vasemmalla). Nuolet osoittavat punasiirtymän. Aallonpituus kasvaa kohti punaista ja sen jälkeen (taajuus pienenee).
Neljä suurta saavutusta
Sandagen mukaan Hubble saavutti neljä tärkeintä asiaa:
- Luokittelujärjestelmä tähtisumuille, sekä galaktisille (diffuusit) että ekstragalaktisille (sekä Linnunratagalaksimme sisällä että sen ulkopuolella olevat sumut).
- Hubble ratkaisi ratkaisevasti kysymyksen galaksien luonteesta (jotka ovat muita asioita kuin Linnunrata).
- Galaksien jakauman havaittiin olevan etäisyyksiltään homogeeninen (galakseja oli kaikkialla maailmankaikkeudessa, ei missään tietyssä paikassa).
- Lineaarinen nopeuden ja etäisyyden välinen suhde vahvistettiin. Tämä löytö johti käsitykseen laajenevasta maailmankaikkeudesta, joka on nykypäivän kosmologian keskeinen osa.
Hubblen henkilökohtainen mielipide tiedoista
Hubble itse ei pitänyt vuoden 1929 tietojaan todisteena maailmankaikkeuden laajenemisesta. Vielä kuusi vuotta myöhemmin Hubble kirjoitti:
"... jos punasiirtymät ovat nopeussiirtymiä, jotka mittaavat laajenemisnopeutta, laajenevat mallit ovat ehdottomasti ristiriidassa tehtyjen havaintojen kanssa ... laajenevat mallit ovat pakotettu tulkinta havaintotuloksista"
- — E. Hubble, Ap. J., 84, 517, 1936
"[Jos punasiirtymät ovat Doppler-siirtymiä] ... havainnot johtavat sellaisenaan suljetun maailmankaikkeuden poikkeavuuteen, joka on kummallisen pieni ja tiheä ja, voidaan lisätä, epäilyttävän nuori. Toisaalta, jos punasiirtymät eivät ole Doppler-ilmiöitä, nämä anomaliat häviävät ja havaittu alue näyttäytyy pienenä, homogeenisena mutta merkityksettömänä osana sekä avaruudessa että ajassa äärettömän pitkälle ulottuvaa maailmankaikkeutta."
- — E. Hubble, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 97, 513, 1937.
Inflaatio selityksenä laajentumiselle
Hubblen sanat unohdettiin, ja käsitys maailmankaikkeuden laajenemisesta tuli konsensukseksi. Ennen 1980-luvun teoreettista kehitystä kenelläkään ei ollut selitystä sille, miksi näin näytti olevan. Kysymykseen "miksi maailmankaikkeus laajenee?" vastataan nyt ymmärtämällä yksityiskohtia siitä, mitä tapahtui maailmankaikkeutemme olemassaolon ensimmäisellä inflaatiokaudella (10-32 sekuntia).
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Kuka oli Edwin Powell Hubble?
V: Edwin Powell Hubble oli yhdysvaltalainen tähtitieteilijä.
K: Milloin hän syntyi ja milloin hän kuoli?
V: Hän syntyi 20. marraskuuta 1889 ja kuoli 28. syyskuuta 1953.
K: Mikä on hänen perintönsä?
V: Hänen havaintonsa muuttivat tieteellistä näkemystä maailmankaikkeudesta.
K: Millaista tutkimusta hän teki?
V: Hän teki galakseihin, tähtiin ja muihin taivaankappaleisiin liittyvää tähtitieteellistä tutkimusta.
K: Missä hän työskenteli?
V: Hän työskenteli Mount Wilsonin observatoriossa Kaliforniassa.
K: Mitä palkintoja hän on saanut työstään?
V: Hän sai lukuisia palkintoja panoksestaan tähtitieteen hyväksi, muun muassa Royal Astronomical Societyn kultamitalin vuonna 1935 ja Bruce-mitalin vuonna 1938.
