Hubblen laki (Hubble–Lemaître): maailmankaikkeuden laajeneminen ja Hubble‑vakio

Hubblen laki (Hubble–Lemaître): maailmankaikkeuden laajeneminen, Hubble‑vakio ja sen mittaukset — selkeä katsaus punasiirtymään, etäisyyksiin ja nykymittauksiin.

Hubblen laki tai Hubble‑Lemaîtren laki on nimi havainnolle, jonka mukaan:

1. Kaikilla syvällä avaruudessa havaituilla kohteilla on Doppler-siirtymä, joka on mitattu nopeus suhteessa Maahan ja toisiinsa;
2. Maasta etääntyvien galaksien Doppler-siirtymän mittaama nopeus on verrannollinen niiden etäisyyteen Maasta ja kaikista muista tähtienvälisistä kappaleista.

Todellisuudessa havaittavan maailmankaikkeuden aika-avaruus laajenee, ja Hubblen laki on tämän suora fyysinen havainto. Se on perusta uskolle maailmankaikkeuden laajenemiseen, ja se on tärkeä todiste, johon usein vedotaan alkuräjähdys-mallin tueksi.

Yksinkertaisin muoto ja sen merkitys

Lakia ilmaistaan usein yksinkertaisesti yhtälöllä v = H0D, jossa H0 on nykyhetken Hubble‑vakio (tunnetaan myös nimellä Hubble‑parametrin nykyarvo), D on galaksin etäisyys ja v sen poistumisnopeus meistä. Tämä suhde tarkoittaa sitä, että kauempana olevat galaksit näyttävät etääntyvän nopeammin kuin läheiset.

Yleisimmin käytetty yksikkö H0:lle on (km/s)/Mpc eli kilometriä sekunnissa per megaparsec. Esimerkiksi arvo 70 (km/s)/Mpc tarkoittaa, että 1 megaparsec (noin 3,09×10¹⁹ km) päässä oleva galaksi poistuu noin 70 km/s nopeudella. Käytännön esimerkki: 10 Mpc päässä oleva kohde poistuu noin 700 km/s nopeudella, jos H0 ≈ 70.

H0:n käänteisluku antaa niin kutsutun Hubble‑ajan, joka on likimääräinen aikaskaala laajenemisen nopeudelle. Tyypillisillä H0‑arvoilla Hubble‑aika on järjestyksessä ~1,4×10¹⁰ vuotta (noin 14 miljardia vuotta). Hubble‑pituus eli c/H0 on samalla luokkaa muutamaa tuhatta megaparsecsiä (järjestysluokka ~4 000 Mpc), mikä vastaa kymmeniä miljardeja valovuosia.

Historialliset kohdat

Vaikka laki liitetään yleisesti Edwin Hubbleen, Georges Lemaître johdatti samanlaisen teoreettisen ennusteen ensimmäisenä yleisestä suhteellisuusteoriasta vuonna 1927 julkaistussa artikkelissaan. Lemaître esitti, että maailmankaikkeus voi laajeta, ja hän arvioi myös laajenemisnopeuden suuruusluokan — arvon, jota nykyään kutsutaan Hubble‑vakioksi. Kaksi vuotta myöhemmin Hubble julkaisi havaintoihin perustuvan työn, joka vahvisti laajenemisen ja antoi tarkempia mittauksia. Merkittäväksi edeltäjäksi voidaan mainita myös Vesto Slipher, joka 1910–1920‑lukujen aikana mittasi monien galaksien suuriin puna‑arvoihin viittaavia spektrejä.

Vuonna 2018 Kansainvälinen tähtitieteellinen liitto (IAU) suositti nimen muodossa "Hubble–Lemaître law" sitomaan sekä teoreettisen ennakoijan että havaitsijan tekijät nimen yhteyteen.

Mittausmenetelmät ja nykyaikaiset tulokset

Hubble‑vakion määritys perustuu etäisyyysmittauksiin ja punasiirtymien tulkintaan. Keskeisiä menetelmiä ovat:

• Standardikynttilät: Cepheid‑muuttujat ja tyypin Ia supernovat, joita käytetään etäisyysporrastuksessa (distance ladder).
• Standardimitat (standard rulers): esimerkiksi baryoninen akustinen oskillaatiokala (BAO), jota voidaan käyttää etäisyysskaalan mittaamiseen suuressa mittakaavassa.
• Suorat menetelmät: tähtispektrien liikkeiden ja galaksiklustereiden mittaukset, pintakirkkauden vaihtelumittaukset, gravitaatiolinssien aikaviiveet.
• Varhaisen maailmankaikkeuden menetelmät: kosminen mikroaaltotausta (CMB) yhdessä kosmologisen mallin kanssa antaa arvion H0:sta (tämä on ei‑suora määritys).

Erilaisten menetelmien tulokset eivät täysin täsmää: suoraan läheisistä kappaleista rakentuva "etäisyysportaita" käyttävä lähestymistapa antaa tyypillisesti arvoja noin 72–74 (km/s)/Mpc (esim. HST‑projekti ja SH0ES‑ryhmän mittaukset), kun taas varhaisen maailmankaikkeuden kosmista mikroaaltotaustaa analysoivat tulokset (esim. Planck‑satelliitti) antavat arvoja noin 67–68 (km/s)/Mpc. Tämä ero, joka tunnetaan nimellä Hubble‑jännite (Hubble tension), on yksi nykykosmologian aktiivisista tutkimusaiheista.

Aiemmin mainittu arvo H0 = 73,8 ± 2,4 (km/s)/Mpc perustui Hubble‑avaruusteleskoopin infrapunahavainnointeihin (vuoden 2011 arvio). Myöhemmissä julkaisuissa ja yhteenvetomittauksissa on saatu sekä hieman matalampia että hieman korkeampia arvoja riippuen menetelmästä ja aineistosta. Esimerkiksi CMB‑pohjaiset analyysit tuovat vahvasti esiin arvon luokkaa 67 (km/s)/Mpc, kun taas paikalliset etäisyysporrastot useimmiten sijoittuvat yli 70 (km/s)/Mpc. Tilanne ja määritysten epävarmuudet paranevat jatkuvasti uusien mittausten, kuten Gaia‑satelliitin tarkentuneiden parallaksien ja parempien supernovadatakokoelmien myötä.

Rajoitukset ja oikea tulkinta

Yhtälö v = H0D pätee hyvin pienillä punasiirtymillä eli läheisille galakseille. Suurilla etäisyyksillä ja isoilla punasiirtymillä on käytettävä yleisen suhteellisuusteorian täsmällisempiä etäisyyssuhteita ja aikakehitystä, koska Hubble‑parametri H(t) muuttuu ajan mukana (H0 on nykyhetken arvo).

On tärkeää huomata, että laajenevassa aika‑avaruudessa etääntyminen ei ole paikallista liikesuuntaa avaruudessa siten kuin klassisessa Doppler‑tulkinnassa. Galaksit voivat näyttäytyä poistuvan nopeuksilla, jotka ylittävät valonnopeuden c — tämä ei riko suhteellisuusteoriaa, koska kyse ei ole paikallisesta liikenopeudesta suhteessa paikalliseen valoon vaan avaruuden itsensä laajenemisesta.

Kosmologisesti tarkempi yhteys liittyy avaruuden laajenemisen skaala‑tekijään a(t), ja Hubble‑parametri määritellään tavallisesti muodossa H(t) = ȧ(t)/a(t), jolloin Hubblen laki voidaan paikallisesti kirjoittaa muodossa v = H(t)·r (r = oikea, ns. proper‑etäisyys).

Miksi laki on merkittävä

Hubblen laki yhdistää havainnot ja kosmologisen teorian: se antaa suoraa näyttöä universumin laajenemisesta ja asettaa mittakaavan, jolle kosmologiset mallit voidaan sovittaa. H0:n tarkka arvo vaikuttaa arvioihin maailmankaikkeuden iästä, massatiheydestä, pimeän energian ominaisuuksista ja monista muista kosmologisista parametroista. Siksi Hubble‑vakion tarkentaminen ja Hubble‑jännityksen ymmärtäminen ovat keskeisiä tavoitteita nykytutkimuksessa.

Yhteenvetona: Hubblen laki kertoo, että universumi laajenee ja että etäisyys korreloi poistumisnopeuden kanssa. Lain yksinkertainen muoto antaa selkeän ja helposti havainnoitavan ennusteen lähigalaksoille, mutta laajemmassa kosmologisessa kontekstissa tarvitaan yleisen suhteellisuusteorian tarjoamaa laajempaa kehystä ja tarkempia etäisyysmalleja.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mikä on Hubblen laki?

K: Kuka johti tämän lain ensimmäisenä?

K: Kuka vahvisti sen olemassaolon?

K: Miten taantumanopeus mitattiin?

K: Millä yhtälöllä tämä laki ilmaistaan?

K: Missä yksikössä H0 yleensä ilmoitetaan?

Hae kirjaimella