26.4: Kiwango cha Umbali wa Extragalactic

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza matumizi ya nyota zinazobadilika ili kukadiria umbali wa galaxi
• Eleza jinsi balbu za kawaida na uhusiano wa Tully-Fisher zinaweza kutumiwa kukadiria umbali wa galaxi

Kuamua mali nyingi za galaxi, kama vile mwanga wake au ukubwa wake, lazima kwanza tujue jinsi ilivyo mbali. Ikiwa tunajua umbali wa galaxi, tunaweza kubadilisha jinsi galaksi inavyoonekana angavu mbinguni ndani ya mwanga wake wa kweli kwa sababu tunajua jinsi mwanga unavyopungua kwa umbali. (Galaxy hiyo mara 10 mbali zaidi, kwa mfano, ingeonekana mara 100 dimmer.) Lakini kipimo cha umbali wa galaxi ni mojawapo kati ya matatizo magumu zaidi katika astronomia ya kisasa: galaksi zote ziko mbali, na nyingi ziko mbali sana kiasi kwamba hatuwezi hata kutengeneza nyota za kibinafsi ndani yake.

Kwa miongo kadhaa baada ya kazi ya awali ya Hubble, mbinu zilizotumiwa kupima umbali wa galaxi zilikuwa zisizo sahihi kiasi, na wanaastronomia tofauti walitokana na umbali uliotofautiana kwa kadiri ya sababu mbili. (Fikiria kama umbali kati ya nyumba yako au Dorm na darasa lako la astronomia hakuwa na uhakika huu; itakuwa vigumu kuhakikisha umefika darasa kwa wakati.) Katika miongo michache iliyopita, hata hivyo, wanaastronomia wametengeneza mbinu mpya za kupima umbali wa galaxi; muhimu zaidi, wote wanatoa jibu sawa kwa ndani ya usahihi wa takriban 10%. Kama tutakavyoona, hii inamaanisha hatimaye tunaweza kufanya makadirio ya kuaminika ya ukubwa wa ulimwengu.

Nyota za kutofautiana

Kabla wanaastronomia hawakuweza kupima umbali wa galaxi nyingine, kwanza walipaswa kuanzisha kiwango cha umbali wa cosmic kwa kutumia vitu katika galaxi yetu wenyewe. Tulielezea mlolongo wa mbinu hizi za umbali katika umbali wa Mbinguni (na tunapendekeza uhakiki sura hiyo ikiwa imekuwa muda tangu umeisoma). Wanaastronomia walifurahi hasa walipogundua kwamba wanaweza kupima umbali kwa kutumia aina fulani za nyota za kutofautiana kwa asili, kama vile cepheids, ambazo zinaweza kuonekana kwa umbali mkubwa sana (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Baada ya vigezo katika galaxi zilizo karibu kutumiwa kufanya vipimo vya umbali kwa miongo michache, Walter Baade alionyesha kuwa kulikuwa na aina mbili za cefeidi na kwamba wanaastronomia walikuwa wamewachanganya bila kujua. Matokeo yake, mwanzoni mwa miaka ya 1950, umbali wa galaxi zote zilipaswa kuongezeka kwa takriban sababu ya mbili. Tunataja hili kwa sababu tunataka uzingatie, kama unavyosoma, kwamba sayansi daima ni utafiti unaoendelea. Hatua zetu za kwanza za majaribio katika uchunguzi huo ngumu daima zinakabiliwa na marekebisho ya baadaye kama mbinu zetu zinakuwa za kuaminika zaidi.

Kiasi cha kazi inayohusika katika kutafuta cepheids na kupima vipindi vyao inaweza kuwa kubwa sana. Hubble, kwa mfano, alipata picha 350 za muda mrefu za galaxy ya Andromeda kwa kipindi cha miaka 18 na iliweza kutambua cepheids 40 tu. Japokuwa cepheidi ni nyota zenye kung'aa, zinaweza kugunduliwa katika takriban 30 tu ya galaxi zilizo karibu na darubini kubwa zaidi duniani.

Kama ilivyoelezwa katika umbali wa Mbinguni, moja ya miradi kuu iliyofanywa wakati wa miaka ya kwanza ya uendeshaji wa darubini ya Hubble Space ilikuwa kipimo cha cepheids katika galaxi za mbali zaidi ili kuboresha usahihi wa kiwango cha umbali wa ziada. Hivi karibuni, wanaastronomia wanaofanya kazi na darubini ya Hubble Space wameongeza vipimo hivyo hadi miaka ya mwanga milioni 108- ushindi wa teknolojia na uamuzi.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Cepheid Variable Star. Mwaka 1994, kwa kutumia darubini ya Hubble Space, wanaastronomia waliweza kutengeneza nyota ya kutofautiana kwa cepheidi ya mtu binafsi katika galaksi M100 na kupima umbali wake kuwa miaka ya nuru milioni 56. Vipande vinaonyesha nyota katika usiku wa tatu tofauti; unaweza kuona kwamba mwangaza wake ni wa kutofautiana.

Hata hivyo, tunaweza tu kutumia cepheids kupima umbali ndani ya sehemu ndogo ya ulimwengu wa galaxi. Baada ya yote, kutumia njia hii, lazima tuweze kutatua nyota moja na kufuata tofauti zao za hila. Zaidi ya umbali fulani, hata darubini zetu zenye nafasi nzuri sana haziwezi kutusaidia kufanya hivyo. Kwa bahati nzuri, kuna njia nyingine za kupima umbali wa galaxi.

Bonde Standard

Tulijadili katika Umbali wa Mbinguni kuchanganyikiwa sana ambayo wanaastronomia waliona wakati waligundua kwamba nyota kwa ujumla hazikuwa balbu za kawaida. Ikiwa kila bulb ya taa katika ukumbi mkubwa ni bulb ya kawaida ya 100-watt, basi balbu zinazoonekana kuwa nyepesi kwetu lazima ziwe karibu, wakati wale wanaoonekana kuwa dimmer lazima wawe mbali zaidi. Ikiwa kila nyota ilikuwa mwanga wa kawaida (au wattage), basi tunaweza pia “kusoma” umbali wao kulingana na jinsi wanavyoonekana kwetu. Ole, kama tulivyojifunza, nyota wala galaxi hazija katika mwanga mmoja wa suala la kawaida. Hata hivyo, wanaastronomia wamekuwa wakitafuta vitu ambavyo vinatenda kwa namna fulani kama balbu ya kawaida ambayo yana mwangaza wa ndani (uliojengwa) popote walipo.

Mapendekezo kadhaa yamefanywa kwa aina gani ya vitu vinavyoweza kuwa balbu za kawaida, ikiwa ni pamoja na nyota zenye nguvu zaidi, nebulae ya sayari (ambayo hutoa mionzi mingi ya ultraviolet), na nguzo ya wastani ya globular katika galaxi. Kitu kimoja kinaonekana kuwa muhimu sana: aina ya Ia supanova. Supernovae hizi zinahusisha mlipuko wa kibete nyeupe katika mfumo wa binary (tazama sehemu ya The Evolution of Binary Star Systems) Uchunguzi unaonyesha kwamba supernovae ya aina hii yote hufikia karibu luminosity sawa (kuhusu\(94.5 \times 10^9\)\(L_{\text{Sun}}\)) katika mwanga upeo. Kwa luminosities kubwa sana, supernovae hizi zimegunduliwa kwa umbali wa miaka zaidi ya bilioni 8 za mwanga na kwa hiyo zinavutia hasa kwa wanaastronomia kama njia ya kuamua umbali kwa kiwango kikubwa (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Aina Ia Supernova. Kitu kilicho mkali chini ya kushoto ya katikati ni aina Ia supanova karibu na kiwango chake cha kilele. Supernova huangaza kwa urahisi galaxi yake ya mwenyeji. Ongezeko hili kubwa na mwanga huwasaidia wanaastronomia kutumia supanova ya Ia kama balbu za kawaida.

Aina nyingine kadhaa za balbu za kawaida zinazoonekana juu ya umbali mkubwa pia zimependekezwa, ikiwa ni pamoja na mwangaza wa jumla wa, kwa mfano, ellipticals kubwa na mwanachama mkali zaidi wa nguzo ya galaxy. Aina ya Ia supernovae, hata hivyo, imeonekana kuwa balbu sahihi zaidi, na zinaweza kuonekana katika galaxies mbali zaidi kuliko aina nyingine za calibrators. Kama tutakavyoona katika sura ya Big Bang, uchunguzi wa aina hii ya supanova umebadilika sana ufahamu wetu wa mageuzi ya ulimwengu.

Mbinu nyingine za Upimaji

Mbinu nyingine ya kupima umbali wa galaksi hufanya matumizi ya uhusiano wa kuvutia uliotambuliwa mwishoni mwa miaka ya 1970 na Brent Tully wa Chuo Kikuu cha Hawaii na Richard Fisher wa National Radio Astronomia Observatory. Waligundua kwamba mwanga wa galaksi ya ond unahusiana na kasi yake ya kuzunguka (jinsi inavyozunguka haraka). Kwa nini hii itakuwa kweli?

Masi zaidi ya galaxy ina, kasi vitu katika mikoa yake ya nje lazima obiti. Galaksi kubwa zaidi ina nyota nyingi ndani yake na hivyo ni nyepesi zaidi (kupuuza jambo la giza kwa muda). Tukizingatia majadiliano yetu kutoka sehemu ya awali, tunaweza kusema kwamba ikiwa uwiano wa wingi hadi mwanga kwa galaxi mbalimbali za ond ni sawa sana, basi tunaweza kukadiria mwanga wa galaxi ya ond kwa kupima masi yake, na tunaweza kukadiria masi yake kwa kupima kasi yake ya kuzunguka.

Tully na Fisher walitumia mstari wa 21 cm wa gesi baridi ya hidrojeni ili kuamua jinsi nyenzo za haraka katika galaxi za ond zinazunguka vituo vyao (unaweza kupitia majadiliano yetu ya mstari wa cm 21 katika Kati ya Stars: Gesi na Vumbi katika anga). Kwa kuwa mionzi ya sentimita 21 kutoka atomi za stationary inakuja katika mstari mwembamba mzuri, upana wa mstari wa cm 21 unaozalishwa na galaxy nzima inayozunguka inatuambia upeo wa kasi ya orbital ya gesi ya hidrojeni ya galaxy. Mstari mpana, kasi ya gesi inazunguka kwenye galaxy, na galaxi kubwa zaidi na yenye kuangaza inageuka kuwa.

Ni ajabu kwamba mbinu hii inafanya kazi, kwa kuwa kiasi kikubwa cha wingi unaohusishwa na galaxi ni suala la giza, ambalo halichangia kabisa kwenye mwanga lakini huathiri kasi ya mzunguko. Pia hakuna sababu ya wazi kwa nini uwiano wa wingi hadi mwanga unapaswa kuwa sawa kwa galaxi zote za ond. Hata hivyo, uchunguzi wa galaxi zilizo karibu (ambapo tuna njia nyingine za kupima umbali) zinaonyesha kwamba kupima kasi ya mzunguko wa galaxy hutoa makadirio sahihi ya mwanga wake wa ndani. Mara tu tunajua jinsi galaxi inavyoonekana, tunaweza kulinganisha mwanga na mwangaza unaoonekana na kutumia tofauti ili kuhesabu umbali wake.

Wakati uhusiano wa Tully-Fisher unafanya kazi vizuri, ni mdogo—tunaweza kuitumia tu kuamua umbali wa galaxi ya ond. Kuna mbinu nyingine ambazo zinaweza kutumika kukadiria umbali wa galaxi ya duaradufu; hata hivyo, mbinu hizo ni zaidi ya upeo wa kozi yetu ya utangulizi wa astronomia.

Jedwali\(\PageIndex{1}\) linaorodhesha aina ya galaxy ambayo kila mbinu za umbali ni muhimu, na umbali wa umbali ambao mbinu inaweza kutumika.

Jedwali\(\PageIndex{1}\): Baadhi ya Mbinu za Kukadiria Umbali wa Galaxi

Mbinu	Aina ya Galaxy	Umbali wa umbali wa karibu (mamilioni ya miaka ya mwanga)
Nebulae ya sayari	Yote	0—70
Vigezo vya Cepheid	Spiral, makosa	0—110
Tully-Fisher uhusiano	Spiral	0—300
Aina ya Ia supernovae	Yote	0—11,000
Redshifts (sheria ya Hubble)	Yote	300—13,000

Muhtasari

Wanaastronomia huamua umbali wa galaxi kwa kutumia mbinu mbalimbali, ikiwa ni pamoja na uhusiano wa kipindi cha mwangaza kwa vigezo vya cepheid; vitu kama vile aina ya Ia supernovae, ambayo inaonekana kuwa balbu ya kawaida; na uhusiano wa Tully-Fisher, unaounganisha kupanua mstari wa mionzi ya 21 cm kwa luminosity ya galaxies ond. Kila njia ina mapungufu kwa suala la usahihi wake, aina ya galaxi ambayo inaweza kutumika, na umbali wa umbali ambao unaweza kutumika.

faharasa

aina Ia supanova

supanova iliyoundwa na mlipuko wa kibete nyeupe katika mfumo wa binary na kufikia mwanga wa karibu\(4.5 \times 10^9\)\(L_{\text{Sun}}\); inaweza kutumika kuamua umbali wa galaxi kwa kiwango kikubwa