W tym wpisie na blogu przedstawimy metodę pomiaru odległości wykorzystującą cykl jasności gwiazd i jego związek z rozszerzaniem się wszechświata.
Na początku XX wieku amerykański astronom Slipher odkrył zjawisko „przesunięcia ku czerwieni” podczas badania widm gwiazd w galaktykach zewnętrznych. Przesunięcie ku czerwieni odnosi się do przesunięcia linii absorpcyjnych w świetle gwiazd z galaktyk zewnętrznych w kierunku czerwonego końca widma. Linie absorpcyjne to czarne linie, które pojawiają się w widmie światła gwiazd. Linie te pojawiają się, gdy światło gwiazd przechodzi przez atmosferę gwiazdy, a określone długości fal światła są pochłaniane przez pierwiastki w atmosferze. Dlatego też, jeśli typy linii absorpcyjnych są takie same, oznacza to, że te same pierwiastki są obecne w atmosferze tej gwiazdy.
Odkrycie Slypera wywołało wówczas wielkie poruszenie w społeczności astronomów. Początek XX wieku był okresem intensywnych badań astronomicznych, podczas których wielu astronomów badało nowe zjawiska i teorie kosmiczne. Badania Slypera odegrały ważną rolę w tym trendzie, a jego odkrycie stało się punktem zwrotnym w kierunku badań astronomicznych. Zjawisko przesunięcia ku czerwieni dostarczyło kluczowych wskazówek do zrozumienia struktury i ewolucji wszechświata.
Dlaczego zjawisko przesunięcia ku czerwieni pojawia się w widmie światła gwiazd z zewnętrznych galaktyk? W świetle widzialnym im krótsza jest długość fali światła gwiazd, tym wydaje się bardziej niebieskie, a im dłuższa, tym wydaje się bardziej czerwone. Światło, które się od nas oddala, ma dłuższą długość fali. Dlatego gdy gwiazda oddala się od punktu obserwacji Ziemi, długość fali światła pochodzącego z tej gwiazdy staje się dłuższa, powodując przesunięcie linii absorpcyjnych w widmie światła gwiazd w kierunku czerwonego końca widma. Zjawisko to jest przykładem efektu Dopplera i ta sama zasada dotyczy fal dźwiękowych. Tak jak dźwięk z odległego źródła staje się niższy, długość fali światła z odległego źródła staje się dłuższa, powodując przesunięcie w kierunku czerwonego końca widma.
Zjawisko odkryte przez Sliphera było dowodem na to, że galaktyki oddalają się od Ziemi. Hubble zbadał następnie 24 galaktyki, aby potwierdzić odkrycie Sliphera. Opierając się na fakcie, że przesunięcie ku czerwieni było większe dla galaktyk znajdujących się dalej, Hubble potwierdził, że odległe galaktyki oddalają się z większą prędkością. Udowodnił również, że wszystkie galaktyki oddalają się od siebie, co dowodzi, że wszechświat się rozszerza. Odkrycie to stanowiło podstawę współczesnej kosmologii i przyczyniło się do głębszego zrozumienia ekspansji wszechświata.
Rozszerzanie się wszechświata można również udowodnić, mierząc odległość do gwiazd. Pulsujące gwiazdy zmienne są często używane do pomiaru odległości. Pulsujące gwiazdy zmienne to gwiazdy, których struktura wewnętrzna jest niestabilna, co powoduje, że okresowo się rozszerzają i kurczą. W miarę rozszerzania się gwiazdy stają się jaśniejsze, a w miarę kurczenia się stają się słabsze, więc jasność pulsujących gwiazd zmiennych okresowo wzrasta i maleje.
Cefeidy, rodzaj pulsującej gwiazdy zmiennej, mają stałą proporcjonalną zależność między okresem zmiany jasności a ich rzeczywistą jasnością. Gwiazdy o długich okresach zmiany jasności są w rzeczywistości jaśniejsze, podczas gdy gwiazdy o krótkich okresach są w rzeczywistości słabsze. Dlatego jeśli istnieją dwie cefeidy o tym samym okresie zmiany jasności, rzeczywista jasność tych dwóch gwiazd jest taka sama. Jeśli jedna z dwóch gwiazd zmiennych cefeid o tej samej rzeczywistej jasności wydaje się ciemniejsza, gwiazda ta jest dalej od obserwatora. Ponieważ jasność światła jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości do gwiazdy, gwiazda zmienna cefeidy, która wydaje się o ćwierć ciemniejsza, ale ma ten sam cykl jasności, jest dwa razy dalej.
Naukowcy zgromadzili wyniki pomiaru odległości do gwiazd za pomocą tej metody. Korzystając z tych wyników, możemy potwierdzić, że odległe galaktyki oddalają się szybciej. Związek między tymi pomiarami odległości i przesunięciami ku czerwieni pozwala nam zmierzyć tempo ekspansji wszechświata i oszacować jego wiek i rozmiar. Proces ten stał się ważnym obszarem badań we współczesnej astronomii i kosmologii i nadal prowadzi do nowych odkryć i rozwoju teoretycznego.
Ponadto zjawisko przesunięcia ku czerwieni jest uważane za jeden z ważnych dowodów na teorię Wielkiego Wybuchu, a także ekspansję wszechświata. Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu wszechświat eksplodował z jednego punktu około 13.8 miliarda lat temu i od tego czasu się rozszerza. Badania Slypera i Hubble'a dostarczyły dowodów obserwacyjnych na poparcie teorii Wielkiego Wybuchu i położyły podwaliny pod rozwój współczesnej astronomii. Obecnie wielu astronomów nadal bada ekspansję wszechświata i przesunięcie ku czerwieni, starając się odkryć jego tajemnice.
Ponadto ostatnie badania sugerują, że ekspansja wszechświata przyspiesza w czasie. Uważa się, że jest to spowodowane nieznanym źródłem energii zwanym ciemną energią, które otwiera nowy paradygmat w kosmologii. Szacuje się, że ciemna energia stanowi około 68% gęstości energii wszechświata, ale jej prawdziwa natura pozostaje nieznana. Takie badania pogłębiają naszą wiedzę o wszechświecie i oczekuje się, że doprowadzą do wielu bardziej ekscytujących odkryć w przyszłości.
