Vladimír Štefl Ústav teoretické fyziky a astrofyziky Historie astronomie XI. Mimogalaktická astronomie Astronomie počátkem 20. století • fyzikální teorie, metody • fotografické a spektroskopické metody • dalekohledy, přístroje • důsledné matematické zpracování výsledků → úplnější astronomický obraz vesmíru Astronomie = astrofyzika, využívá m31_gendler_big Jaká je podstata mlhovin? Jak se pohybují? Můžeme určit jejich vzdálenosti? Jaké je jejich prostorové rozložení? Existuje souvislost mezi vzdáleností a rychlostí pohybu mlhovin - galaxií? Počátky výzkumu galaxií Debata r. 1920 Shapley x Curtis Co představují mlhoviny ? galaxie M 31 v souhvězdí Andromedy Závěry diskuse H.Shapley x H.D.Curtis - 1920 pomocí studia kulových hvězdokup zjistil polohu středu Galaxie a její rozměry vesmír je tvořen naší Galaxií, mlhavé obláčky jsou blízká plynná mračna Herbert Doust Curtis 1872 - 1942: vesmír je složen z mnoha galaxií jako je naše, Slunce leží v blízkosti středu jedné z galaxií Harlow Shapley 1885 - 1972: Měření radiálních rychlostí galaxií Milton Lasell Humason 1891 - 1972 Vesto Melvin Slipher 1875 - 1969 Lowell Observatory - V. M. Slipher: první stanovení radiální rychlosti mlhoviny M 31 4. prosince 1912, 14 hodinová expozici → spektrum → radiální rychlost – 300 km.s-1 roku 1914 - 40 spekter mlhovin u 15 určena radiální rychlost Lowell Observatory - V. M. Slipher: Popular astronomy, 23, (1915), p. 21 Spektrografická pozorování mlhovin Lowell Observatory - V. M. Slipher: Popular astronomy, 23, (1915), p. 21 Spektrografická pozorování mlhovin – radiální rychlosti J. H. Reynolds: Motion in the spiral nebulae Observatory No. 40, (1917) p. 131 Pohyb spirálních mlhovin – radiální rychlosti obtížnost spektroskopických pozorování na Mount Wilson Lowell Observatory - V. M. Slipher: Radial velocity observations of spiral nebulae Observatory 40, (1917), p. 304. Měření radiálních rychlostí spirálních mlhovin 25 radiálních rychlostí, 21 kladných (-300 + 1 100) km.s-1 Observatoř Mount Wilson první světlo koncem roku 1917 D = 2,5 m Edwin Powell Hubble (1889 - 1953) vášnivý čtenář - knihy Julese Verna v mládí sportovec - skok do výšky, box, studium Chicago BS (fyzika) - asistent u R. A. Millikana, A. Michelsona další studium Oxford MA (právo) I. sv. válka - major v armádě r. 1919 - Mount Wilson, Pasadena r. 1920 - disertace Photographia Investigation of Faint Nebulae - Fotografický výzkum slabých mlhovin II. sv. válka - vojenský výzkum Obsah obrázku oblečení, muž, osoba, boty Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku text, muž, dopis, rukopis Popis byl vytvořen automaticky Edwin Powell Hubble - mládí ? 100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson využití fotografických desek mlhovin Hubbleův výzkum galaxií na Mount Wilson Hubbleův výzkumu galaxií a. Vytvoření klasifikace galaxií b. Jednotlivé typy hvězd – cefeidy,novy definitivní rozlišení vnějších galaxií c. Hubbleův zákon 100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson Výzkum mlhovin jejich klasifikace Max Wolf (1863 – 1932) r. 1908 100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson Hubbleova klasifikace galaxií r. 1936 The Realm of the Nebulae 100-inch Hooker Telescope, Mt. Wilson Hubble objevil v říjnu 1923 klasickou cefeidu v galaxii M 31 → určil její vzdálenost 10. září 1923 úplné zatmění v Kalifornii, ♥ seznámení s Grace Burke, P = 31,415 dne V dopise v únoru 1924 rivalovi H. Shapleymu uvádí: ,,Bude pro Vás zajímavé slyšet, že jsem objevil cefeidu v mlhovině Andromedy (M 31). V této sezóně jsem pozoroval mlhovinu tak často, jak to dovolovalo počasí a za posledních pět měsíců jsem objevil devět nov a dvě proměnné hvězdy...`` - světelná křivka cefeidy perioda pulsace P + pozorovaná hvězdnou velikost m = vzdálenost - galaxie M 31 ….. 300 kpc - - - spirální mlhovina - hvězdná soustava nacházející se mimo naši Galaxii Objev cefeid – stanovení vzdálenosti M = a + b log P , m – M = 5 log r - 5 Cefeidy M = a + b log P Mount Wilson E. Hubble: ApJ, 56 ( 1922), p.162 - 199, Contr. Mount Wilson Observ.,241,(1922), p.1 - 38 Obecný výzkum difúzních galaktických mlhovin Výzkum mlhovin rozdělení mlhovin – galaktické a mimogalaktické a) galaktických mlhovin spojených s Mléčnou dráhou b) mlhovin nacházejících se ve vysokých šířkách Výzkum mlhovin - Evropa K. W. Wirtz: Astr.Nach. 222, (1924), 21 De Sitterova kosmologie a radiální pohyby spirálních mlhovin Carl Wilhelm Wirtz 1876 – 1939 neznal vzdálenosti, předpokládal jejich stejné velikosti slabší mlhoviny s menšími úhlovými rozměry se vyznačují většími radiálními rychlostmi Výzkum mlhovin v Evropě K. Lundmark: MNRAS 85, (1925), 865 Pohyby a vzdálenosti spirálních mlhovin. K. Lundmark 1889 – 1958 čím větší vzdálenosti mlhovin, tím menší jejich úhlový průměr Vlastnosti cefeid • souvisí s mlhovinami • neexistuje výrazná absorpce světla • jsou stejné v celém vesmíru k 1.1.1925 Hubble: ,,vnější části mlhovin lze rozložit na jednotlivé hvězdy“ M 31 36 cefeid, 46 nov M 33 47 cefeid získáno 200 fotografických desek mlhovin Mount Wilson – E. P. Hubble ApJ 62, (1925), p.409 - 433 NGC 6822 vzdálená hvězdná soustava galaxie NGC 6822 vyjasněn mimogalaktický původ mlhoviny Mount Wilson – E. P. Hubble ApJ 63, (1926), p.236 - 274 Spirální mlhovina – hvězdná soustava M 33 Mount Wilson – E. P. Hubble Spirální mlhovina – hvězdná soustava M 33 ApJ 63, (1926), p.236 - 274 E. P. Hubble r. 1926 Observatory Mount Wilson M. Humason: Radial Velocities in Two Nebulae ASP 39 (1927), p. 317. Radiální rychlosti dvou mlhovin Mount Wilson - M. L. Humason 1929 Proceedings National Academy of Sciences vol. 15, 1929, p. 167 - 168 Velká radiální rychlost NGC 7619 radiální rychlost 3 779 km.s-1 Mount Wilson - M. L. Humason 1929 Proceedings National Academy of Sciences vol. 15, 1929, p. 167 - 168 Velká radiální rychlost NGC 7619 ngc7619.jpg E. P. Hubble: Proceedings National Academy of Sciences vol. 15, 1929, p. 168 - 173 Vztah mezi vzdáleností a radiální rychlostí extragalaktických mlhovin E. P. Hubble r. 1929 E. P. Hubble r. 1929 E. P. Hubble r. 1929 do 500 kpc – použity cefeidy, u větších vzdáleností novy, modří obři, 90 % radiálních rychlostí stanovil Slipher, zbytek Humason rychlost NGC 7619 3 779 km.s-1 v obr. není ! E. P. Hubble r. 1929 první představení problému, návrh dalšího výzkumu, ,,Výsledky stanovují přibližně lineární vztah mezi rychlostmi a vzdálenostmi mlhovin, pro které byly dříve publikovány radiální rychlosti a vztah se jeví převládající v rozložení rychlostí. Aby se podařilo rozřešit problém pro mnohem větší vzdálenosti Humason na Mount Wilson zahájil program stanovení rychlostí nejvzdálenějších galaxií, jenž mohou být spolehlivě pozorovány.“ Hubbleův zákon r. 1929 označení ● jednotlivé galaxie - plná čára ○ skupiny galaxií - přerušovaná čára + průměr pro 22 galaxií s nepřesně známou vzdáleností E. P. Hubble r. 1929 Nepřesnosti - chyby v práci: 1. Závislost perioda – zářivý výkon stanovena nepřesně, ve skutečnosti cefeidy byly mnohem jasnější, než se předpokládalo r. 1929, odlišné závislosti pro různé typy cefeid 2. Ve vzdálených galaxiích v některých případech provedena špatná identifikace objektů, záměna hvězdy – oblasti H II cefeidy - galaxie M 31 staré hvězdy populace II rozlišení populací W. Baade r. 1952 Mount Palomar korekce vzdáleností Wiliam de Sitter 1911 - 1960 holandský astronom, O magnitudách, průměrech a vzdálenostech extragalaktických mlhovin a jejich pozorovaných radiálních rychlostech r. 1930 De Sitter r. 1930: O magnitudách, průměrech, a vzdálenostech extragalaktických mlhovin a jejich pozorovaných radiálních rychlostech teoretické důsledky rozpínání vesmíru De Sitter x E. Hubble r. 1929 Hubble: ,,Vždy jsem předpokládali, že když jsou opublikovány předběžné výsledky a je vytyčen další program výzkumu, právo prvního prověření nových údajů patří těm, kteří skutečně realizovali první výzkum…“ Willem de Sitter 1872 - 1934 Hubble – Humason r. 1931 ApJ 74 (1931), p. 43 - 80 Vztah rychlost – vzdálenost pro extragalaktické mlhoviny Hubble - vzdálenosti galaxií pomocí hvězd, Humason - radiální rychlosti, indikátory vzdálenosti cefeidy + jasné hvězdy, radiální rychlost 46 mlhovin Hubble - Humason r. 1931 Hubble - Humason r. 1931 Srovnání diagramů r. 1929 - 1931 při vzdálenosti 18krát větší než v r. 1929 lze závislost rychlost - vzdálenost považovat za obecnou charakteristikou pozorované oblasti prostoru, H 560 km.s-1Mpc-1 De Sitter – Einstein r. 1932 Hubble: ,,interpretace pozorovacích údajů náleží teoretikům…“ Humason r. 1936 ApJ 83 (1936), p.10 – 23 Pozorované radiální rychlosti 100 extragalaktických mlhovin Humason proměřil dalších 35 nových izolovaných mlhovin, nečlenů kup galaxií, celkem 100 galaxií Humason r. 1936 Humason r. 1936 rekordní hodnota 42 000 km.s-1 → limitní možnost 100 palcového dalekohledu Mount Wilson Humason r. 1936 Hubbleova konstanta, upřesňování Určování vzdáleností pomocí cefeid HST M = a + b log P r = (17,1 ±1,8) Mpc Hubbleovo vzdálené pole galaxií Přes 800 expozičních snímků, v čase více než 240 hodin • Hubbleův zákon - určování vzdáleností ve vesmíru • • • • • • • • • • • •http://astronomy.swin.edu.au/~elenc/Calculators/redshift.php • •Původní Hubbleova závislost rychlost – vzdálenost v porovnání se současnou pro supernovy I a pro z > 0,1 640 Hubbleův zákon z ≈ 6 Rudý posuv a radiální rychlost Vesmír - pozorování, kosmologický princip Kosmologický princip - izotropie Kosmologický princip - izotropie Kosmologický princip - homogenita Fyzikální kosmologické modely Fyzikální kosmologické modely Obecná teorie relativity Obecná teorie relativity Obecná teorie relativity Alexander Alexandrovič Friedmann 1888 - 1925 , ruský matematik, meteorolog, kosmolog, články O křivosti prostoru 1922 O možnosti světa s konstantní zápornou křivostí 1924 že vývojový nestacionární model vesmíru (zakřivený, uzavřený, konečný a bez hranic) je možný i bez tzv. Λ členu Georges Henri Lemaitre 1894 - 1966 belgický matematik, kosmolog, článek Homogenní vesmír o konstantní hmotnosti a rostoucím poloměru se započítáním radiálních rychlostí extragalaktických mlhovin 1927 existence nestacionárních modelů vesmíru Aleksandr_Fridman.png 800px-Georges_Lemaître_1930s.jpg Friedmannovy rovnice Friedmannovy modely vesmíru Friedmannovy modely vesmíru Vývoj vesmíru Friedmannovy modely vesmíru Reliktní záření Nobelova cena r. 1978 Nobelova cena r. 1978