Astronomija

Galaksije in razširjajoče se vesolje

Einstein je skoraj takoj uporabil svojo gravitacijsko teorijo na vesolje kot celoto, prvi kozmološki članek pa je objavil leta 1917. Ker ni bil dobro seznanjen z nedavnim delom na področju astronomije, je domneval, da je vesolje statično in nespremenljivo. Einstein je domneval, da je zadeva enakomerno razporejena po vesolju, vendar ni mogel najti statične rešitve svojih poljskih enačb. Težava je bila v tem, da bi se medsebojna gravitacija vse materije v vesolju nagibala, da se vesolje krči. Zato je Einstein uvedel dodaten izraz, ki vsebuje faktor Λ, „kozmološko konstanto“. Novi izraz je zagotavljal univerzalno kozmično odbojno silo, ki bi lahko delovala na velikih razdaljah, da bi preprečila učinke gravitacije. Ko je pozneje izvedel za širitev vesolja, je Einstein kozmološko konstanto označil za največjo napako svoje kariere. (Toda kozmološka konstanta se je vrnila v kozmologijo poznega 20. stoletja in 21. stoletja. Tudi ko se je Einstein motil, je bil pogosto na nečem globokem.)

Einsteinova statična rešitev je predstavljala vesolje končnega volumna, vendar brez robov, saj je prostor zakrivil na sebi. Tako bi lahko namišljeni popotnik za vedno potoval po ravni črti in nikoli ne prišel na rob vesolja. Prostor ima pozitivno ukrivljenost, zato se koti v trikotniku seštevajo do več kot 180 °, čeprav bi bil presežek viden le v trikotnikih dovolj velike velikosti. (Dobra dvodimenzionalna analogija je površje Zemlje. Območje je končno, vendar nima roba.)

Na začetku 20. stoletja je večina profesionalnih astronomov še vedno verjela, da je Mlečna pot v bistvu ista stvar kot vidno vesolje. Manjšina je verjela v teorijo otoških vesoljev - da so spiralne meglice ogromne zvezdne sisteme, primerljive z Mlečno potjo in so razpršene po vesolju z velikimi praznimi razdaljami med njimi. Eden od ugovorov teoriji otoka-vesolja je bil, da je v bližini ravnine Mlečne poti, tako imenovane cone izogibanja, zelo malo spirale. Tako morajo biti spirale nekako del sistema Mlečne poti. Toda ameriški astronom Heber Curtis je poudaril, da nekatere spirale, ki jih je mogoče videti na robu, očitno vsebujejo ogromne količine prahu v svojih "ekvatorialnih" ravninah. Lahko bi tudi pričakovali, da bo na Mlečni poti velike količine prahu po vsej ravnini, kar bi razložilo, zakaj tam ni videti veliko zatemnjenih spiral; vidnost je preprosto omejena na nizkih galaktičnih širinah. Curtis je leta 1917 na svojih fotografijah spirale našel tudi tri nove; nejasnost teh novih je nakazovala, da so bile spirale na velikih razdaljah od Mlečne poti.

Statični značaj vesolja je bil kmalu izzvan. Ameriški astronom Vesto M. Slipher je leta 1912 v observatoriju Lowell v Arizoni začel meriti radialne hitrosti spiralnih meglic. Prva spirala, ki jo je Slipher pregledal, je bila meglica Andromeda, za katero se je izkazalo, da je modro prestavljena - torej v smeri Mlečne poti - s hitrostjo približevanja 300 km (200 milj) na sekundo, kar je največja hitrost, izmerjena kdaj koli nebesno predmet do takrat. Do leta 1917 je Slipher imel radialne hitrosti za 25 spirale, nekatere tudi do 1000 km (600 milj) na sekundo. Predmeti, ki se premikajo s tako hitrostjo, komajda bi lahko spadali v Mlečno pot. Čeprav je bilo nekaj modro prestavljenih, je bila velika večina spremenjena, kar ustreza gibanju stran od Mlečne poti. Astronomi pa niso takoj ugotovili, da se vesolje širi. Ker Slipherjeve spirale niso bile enakomerno razporejene po nebu, so astronomi uporabili podatke, da so poskušali sklepati o hitrosti Sonca glede na sistem spirale. Večina Slipherjevih spiral je bila na eni strani Mlečne poti in so se umikale, nekaj pa na drugi strani in se približalo. Za Slipher je bila Mlečna pot sama spirala, ki se je gibala glede na večje polje spirale.

Leta 1917 je nizozemski matematik Willem de Sitter našel še eno navidezno statično kozmološko rešitev poljskih enačb, drugačno od Einsteinove, ki je pokazala povezavo med razdaljo in rdečim premikom. Čeprav ni bilo jasno, da bi rešitev S Sitter lahko opisala vesolje, saj je brez snovi, je to astronavce motiviralo, da so iskali razmerje med razdaljo in rdečim premikom. Leta 1924 je švedski astronom Karl Lundmark objavil empirično raziskavo, ki je podala približno linearno razmerje (čeprav z veliko raztresenosti) med razdaljami in hitrostmi spirale. Težava je bila v znanju razdalj dovolj natančno. Lundmark je uporabil nove, ki so jih opazili v meglici Andromeda, da je določil razdaljo meglice, če je predpostavil, da bi imele te nove povprečne absolutne svetlosti kot nove v Mlečni poti, katerih razdalje so bile približno znane. Za bolj oddaljene spirale se je Lundmark skliceval na surove predpostavke, da morajo imeti te spirale enak premer in svetlost kot meglica Andromeda. Tako je novae delovala kot standardne sveče (torej predmeti z določeno svetlostjo), za bolj oddaljene spirale pa so same spirale postale standardna sveča.

S teoretične strani je ruski matematik Aleksander Friedmann med letoma 1922 in 1924 proučeval nestalne kozmološke rešitve Einsteinovih enačb. Ti so presegli Einsteinov model, saj so dovolili širitev ali krčenje vesolja in dlje kot Sitterjev model, saj so vesolju dovolili, da vsebuje materijo. Friedmann je predstavil tudi kozmološke modele z negativno ukrivljenostjo. (V negativno ukrivljenem prostoru se koti trikotnika seštevajo do manj kot 180 °.) Friedmannove rešitve so imele majhen takojšen vpliv, deloma zaradi njegove zgodnje smrti leta 1925 in deloma zato, ker svojega teoretičnega dela ni povezal z astronomskimi opazovanji. Ni pomagalo, da je Einstein objavil sporočilo, v katerem trdi, da je Friedmannov dokument iz leta 1922 vseboval temeljno napako; Einstein je pozneje to kritiko umaknil.