Zehn der wichtigsten Entdeckungen von Hubble

Zehn der wichtigsten Entdeckungen von Hubble

Mario Livio
"In der Welt der Wissenschaft" №10, 2006

Die erste Reparatur von "Hubble" im Dezember 1993. Astronauten Geschichte Musgrave (Geschichte Musgrave, auf dem Manipulator), Jeffrey Hoffman (Jeffrey Hoffman, im Laderaum) und andere Mitglieder des Shuttle-Teams eliminieren die Mängel des Hauptspiegels (Foto © NASA von hubblesite.org)

Nur wenige Teleskope können einen derart bedeutenden Beitrag zur astronomischen Forschung leisten, wie das Hubble Space Telescope.

Dank des Weltraumteleskops erweiterten wir unsere Konzepte, überarbeiteten vorläufige Theorien und bauten neue, detailliertere astronomische Phänomene.

Im April 2006 war es 16 Jahre her, dass der Hubble im Weltraum war, aber bisher NASA Im Kampf um die Wiederaufnahme von Shuttle-Flügen wird das Teleskop weiterhin altersschwach. Wenn die Astronauten es nicht reparieren können, wird es Mitte 2008 völlig außer Betrieb sein.

Mit Hilfe von Hubble wurden 10 große Entdeckungen in der Astronomie gemacht. In den letzten Jahren entdeckte Hubble zusammen mit anderen Observatorien unerwarteterweise (und paradoxerweise) zwei neue Satelliten von Pluto – eine riesige Galaxie in einem sehr jungen Universum sowie einen Satelliten mit der Masse eines Planeten in einem braunen Zwerg, der nicht viel mehr wiegt als der Planet selbst.Es ist uns gelungen, die Eigenschaften des Universums zu klären, die vorher nur in unserer Vorstellung existierten.

1. Kollision mit einem Kometen

Acht Kollisionsstellen (dunkle Flecken, einige übereinander und kaum unterscheidbar), die die südliche Hemisphäre des Jupiter beschädigten, sind in dem Bild zu sehen, das am 22. Juli 1994 aufgenommen wurde. Im unteren Foto: ein Auswuchs ähnlich einer Atompilzwolke über dem Ast des Planeten 6 Minuten nach der Kollision am 16. Juli (Foto © Hubble Space Telescope Comet Team und NASA von hubblesite.org)

Im kosmischen Maßstab war die Kollision des Kometen Shoemakers-Levy 9 mit Jupiter ein gewöhnliches Ereignis: Die Oberflächen der Planeten und ihrer mit Kratern übersäten Satelliten zeigen, dass das Sonnensystem eine echte Schießanlage ist. Aber auf der Skala des menschlichen Lebens kann solch ein Ereignis nur einmal erlebt werden: Im Durchschnitt stürzt ein Kometen einmal in tausend Jahren auf den Planeten ab.

Ein Jahr vor dem Tod des Kometen Shoemakers-Levy 9 zeigten die von Hubble erhaltenen Bilder, dass es sich in zwei Dutzend Fragmente zerlegte, die sich zu einer Kette dehnten. Der erste von ihnen stürzte am 16. Juli 1994 in die Atmosphäre des Jupiter, und der Rest fiel danach in der Woche ab. Die Bilder zeigen Emissionen wie eine Atomexplosion, die über den Horizont von Jupiter aufsteigt,und dann Absetzen und resorbierbar 10 Minuten nach der Kollision. Aber die Folgen der Explosion wurden mehrere Monate lang beobachtet.

Spuren von Kollisionen helfen, die Zusammensetzung des Gasriesen zu klären. Von jedem von ihnen streuten die Wellen mit einer Geschwindigkeit von 450 m / s. Offenbar sind dies "schwere" Wellen, deren Elastizität durch die Auftriebskraft erzeugt wird. Die Art der Wellenausbreitung weist darauf hin, dass das Verhältnis von Sauerstoff zu Wasserstoff in der Atmosphäre von Jupiter 10 Mal größer sein kann als auf der Sonne. Wenn Jupiter jedoch als Folge der Gravitationsinstabilität der primären Gas-Staub-Scheibe gebildet wurde, sollte seine Zusammensetzung der Scheibe entsprechen, das heißt, sie sollte der chemischen Zusammensetzung der Sonne entsprechen. Dieser Widerspruch bleibt ungelöst.

2. Extrasolare Planeten

Im Jahr 2001 bat die American Astronomical Society die Experten, die aus ihrer Sicht wichtigste Entdeckung des letzten Jahrzehnts zu wählen. Der Mehrheit zufolge war es die Entdeckung von Planeten außerhalb des Sonnensystems. Heute gibt es etwa 180 solcher Objekte. Ein bedeutender Teil von ihnen wurde mit Hilfe von bodengebundenen Teleskopen aufgrund kleiner Oszillationen eines Sterns gefunden, die durch den Gravitationseffekt eines ihn umkreisenden Planeten verursacht wurden.Bisher liefern solche Beobachtungen nur minimale Informationen: nur die Größe und Elliptizität der Umlaufbahn des Planeten sowie die untere Grenze seiner Masse.

Die Forscher konzentrierten sich auf jene Planeten, deren Orbitalebenen entlang unserer Sichtlinie ausgerichtet sind. Die Beobachtung der ersten der aufgefundenen Satellitenpassagen des Sterns HD 209458 durch Hubble ergab die vollständigste Information über einen Planeten außerhalb des Sonnensystems. Es ist 30% leichter als Jupiter, aber gleichzeitig viel größer im Durchmesser, möglicherweise weil die Strahlung eines nahen Sterns es anschwellen ließ. Die Hubble-Daten sind genau genug, um breite Ringe und massive Satelliten zu erkennen, aber sie sind nicht da. "Hubble" bestimmte zum ersten Mal die chemische Zusammensetzung des Planeten in der Nähe eines anderen Sterns. Seine Atmosphäre enthält Natrium, Kohlenstoff und Sauerstoff und Wasserstoff verdunstet in den Weltraum und erzeugt einen kometenartigen Schwanz. Diese Beobachtungen sind der Vorläufer der Suche nach chemischen Lebenszeichen in fernen Ecken der Galaxis.

3. Die Agonie der Sterne

Als die Schockwelle von Supernova 1987A den bereits vorhandenen Gasring erreichte, glühten heiße Stellen. Hubble-Bild (Foto von Dr. Christopher Burrows, ESA / STScI und NASA von hubblesite.org)

Der Theorie zufolge vervollständigt ein Stern mit einer Masse von 8 bis 25 Mal die Masse der Sonne sein Leben mit einer Supernova-Explosion. Wenn er die Treibstoffreserven erschöpft hat, verliert er schlagartig seine Fähigkeit, sein eigenes Gewicht zu halten. Ihr Kern kollabiert und verwandelt sich in einen Neutronenstern – ein massives, superdichtes Objekt, und die äußeren Gasschichten werden mit einer Geschwindigkeit von 5% der Lichtgeschwindigkeit in den Weltraum geschleudert. Aber es ist nicht leicht, diese Theorie zu bestätigen, da Supernovae in unserer Galaxie seit 1680 nicht explodiert sind. Am 23. Februar 1987 hatten Astronomen jedoch Glück: Eine Supernova-Explosion ereignete sich in einer benachbarten Galaxie, dem Satelliten der Milchstraße, der Großen Magellanschen Wolke. Zu diesem Zeitpunkt war Hubble noch nicht gestartet, aber nach 3 Jahren begann er den Prozess zu verfolgen und öffnete bald drei Ringe um den explodierenden Stern. Das Zentrum kann an der Stelle eines schmalen Sprungs in der Nähe einer Gaswolke mit einer Sanduhrform gesehen werden, und die großen Ringe sind die Ränder von zwei becherförmigen Hohlräumen, die anscheinend mehrere zehntausend Jahre vor der Explosion von einem Stern gebildet wurden. Im Jahr 1994 entdeckte Hubble helle Flecken, die nacheinander auf dem zentralen Ring auftraten: Er wurde von einer Supernova getroffen. Beobachtungen über die Agonie des Sterns gehen weiter.

Der Katzenaugennebel ist einer der komplexesten unter den bekannten planetarischen Nebeln, die von sterbenden Sternen wie der Sonne gebildet werden. Foto © NASA, ESA, HEIC und das Hubble Heritage Team (STScI / AURA) von hubblesite.org

Im Gegensatz zu ihren massereichen Brüdern sterben Sterne wie die Sonne eleganter und lassen ihre äußeren Gasschichten nach und nach explodieren. Es dauert ungefähr 10 tausend Jahre. Wenn ein heißer zentraler Kern eines Sterns ausgesetzt wird, ionisiert er das ausgebrochene Gas mit seiner Strahlung, wodurch es hellgrün (ionisierter Sauerstoff) und rot (ionisierter Wasserstoff) leuchtet. Das Ergebnis ist ein planetarer Nebel. Heute kennen sie etwa zweitausend. "Hubble" zeigte ihre ungewöhnlich komplexen Formen in den feinsten Details. In einigen Nebeln gibt es mehrere konzentrische Kreise, die einem Bullauge ähneln, was eine episodische, nicht kontinuierliche Emission von Gas anzeigt. Darüber hinaus beträgt die geschätzte Zeit zwischen zwei Emissionen etwa 500 Jahre, was für dynamische Pulsationen (bei denen der Stern aufgrund des Gegensatzes von Schwerkraft und Gasdruck schrumpft und expandiert) und für thermische Pulsationen (bei denen der Stern aus dem Gleichgewicht gerät) zu hoch ist.Die wahre Natur der beobachteten Ringe bleibt unklar.

4. Kosmische Geburt

Staubige Scheiben, die wie hässliche Amöben aussehen, umgeben die sich bildenden Sterne im Orionnebel. Der Bereich jedes Bildes beträgt 2040 AU.2 Foto von der NASA, J.Bally (Universität von Colorado, Boulder, CO), H.Throop (Südwestforschungsinstitut, Boulder, CO), C.R.O'Dell (Vanderbilt Universität, Nashville, TN) von hubblesite.org

Es wurde festgestellt, dass enge und schnelle Gasstrahlen die Geburt eines Sterns anzeigen. Wenn er geformt wird, kann er mehrere Lichtjahre lang zwei dünne Ströme ausspeien. Einer Hypothese zufolge durchdringt ein großflächiges Magnetfeld die Gasstaubscheibe, die den jungen Stern umgibt. Ionisierte Materie, die gezwungen ist, entlang magnetischer Kraftlinien zu fließen, ähnelt Perlen auf einem rotierenden Faden. Hubbles Beobachtungen bestätigten die theoretische Vorhersage, dass Jets in der Mitte der Scheibe geboren werden.

Zur gleichen Zeit widerlegten die von Hubble erhaltenen Daten eine weitere Annahme bezüglich der zirkumstellaren Scheiben. Es wurde geglaubt, dass sie so tief in der Mutterwolke saßen, dass es unmöglich war, sie zu sehen. Hubble wiederum entdeckte aus einem Dutzend protoplanetarer Scheiben – Propliden, die oft als Silhouette vor einem Nebel gesehen werden. Mindestens die Hälfte der untersuchten jungen Sterne hat solche Scheiben, was darauf hindeutet, dass die Rohstoffe für die Bildung von Planeten in der Galaxie ausreichend sind.

5. Galaktische Archäologie

Seltsame junge Sterne am Rande des Andromeda-Nebels können "Fragmente" von galaktischen Zusammenstößen sein. Foto © NASA, ESA und T.M.Brown (STScI) von hubblesite.org

Astronomen glauben, dass große Galaxien wie die Milchstraße und unser Nachbar, der Andromeda-Nebel, gewachsen sind und kleinere Galaxien absorbiert haben. Anzeichen von "galaktischem Kannibalismus" sollten sich an der Lage, dem Alter, der Zusammensetzung und der Geschwindigkeit der Sterne in ihnen bemerkbar machen. Dank Hubbles Beobachtungen eines Sternenhalos (einer schwachen kugelförmigen Wolke aus Sternen und Sternhaufen um die galaktische Hauptscheibe) des Andromeda-Nebels fanden die Forscher heraus, dass der Halo Sterne enthält, die sich im Alter unterscheiden: die ältesten sind 11-13,5 Milliarden Jahre alt, für die jüngsten – 6-8 Milliarden Jahre. Letzteres muss zufällig aus einer jungen Galaxie (zum Beispiel aus einer absorbierten Satellitengalaxie) oder aus einer früheren Region von Andromeda selbst gestolpert sein (zum Beispiel von einer Scheibe, wenn ein Teil davon während einer engen Passage einer kleinen Galaxie kollabierte) ). Im Halo unserer Galaxie gibt es keine nennenswerte Anzahl relativ junger Sterne. Mit der ganzen Ähnlichkeit der Form des Andromeda-Nebels und der Milchstraße, wie die Hubble-Beobachtungen zeigen, unterscheiden sich die Geschichten der beiden Galaxien erheblich voneinander.

6. Supermassive schwarze Löcher

Der Plasmastrahl, der aus der Galaxie M 87 schlägt, wird offenbar von einem akkretierenden Schwarzen Loch mit einer Masse von 3 Milliarden Sonnenmassen erzeugt. Foto © NASA und das Hubble Heritage Team (STScI / AURA) von hubblesite.org

Seit den 1960er Jahren haben Astronomen Beweise dafür erhalten, dass die Energiequelle von Quasaren und anderen aktiven Galaxienkernen riesige schwarze Löcher sind, die die Substanz um sich herum aufnehmen. Hubbles Beobachtungen bestätigen diese Theorie. Fast jede eng beobachtete Galaxie fand Hinweise auf ein in ihrer Mitte verborgenes schwarzes Loch. Zwei Dinge erwiesen sich als besonders wichtig. Erstens zeigten Bilder von Quasaren, die mit hoher Winkelauflösung erhalten wurden, dass sie sich in hellen elliptischen oder wechselwirkenden Galaxien befinden. Dies deutet darauf hin, dass besondere Bedingungen benötigt werden, um das zentrale Schwarze Loch zu tanken. Zweitens korreliert die Masse des riesigen Schwarzen Lochs eng mit der Masse der kugelförmigen Sternwölbung (Verdickung), die das galaktische Zentrum umgibt. Die Korrelation deutet darauf hin, dass die Entstehung und Entwicklung der Galaxie und ihres Schwarzen Lochs eng miteinander verknüpft sind.

7. Die stärksten Explosionen

Gamma-Bursts sind kurze Blitze von Gammastrahlung von einigen Millisekunden bis zu einigen zehn Minuten. Sie sind abhängig von ihrer Dauer in zwei Arten unterteilt.Die Grenze wird als ungefähr 2 Sekunden angesehen; bei längeren Blitzen werden weniger energiereiche Photonen erzeugt als bei kürzeren. Beobachtungen durch das Compton-Gamma-Observatorium, Röntgensatellit BeppoSAX und Boden-basierte Observatorien, haben darauf hingewiesen, dass lange Blitze während des Zusammenbruchs der Kerne von massiv kurzlebigen Sternen, mit anderen Worten Supernova-Typ-Sterne auftreten. Aber warum produziert nur ein kleiner Teil der Supernovae Gammastrahlenausbrüche?

Die Galaxie, in der der Gammastrahlenausbruch 971214 beobachtet wurde, sieht wie ein kleiner Fleck aus (angezeigt durch einen Pfeil). Foto © S.R.Kulkarni und S.G.Djorgovski (Caltech), das Caltech GRB Team und die NASA von hubblesite.org

Hubble entdeckte, dass trotz der Tatsache, dass Supernovae in allen Bereichen der Sternentstehung in Galaxien aufflackern, lange Gammastrahlenausbrüche in den hellsten Bereichen konzentriert sind, genau dort, wo die massereichsten Sterne konzentriert sind. Darüber hinaus treten verlängerte Gammastrahlenausbrüche am häufigsten in kleinen, unregelmäßigen, schweren Elementen von Galaxien auf. Und das ist wichtig, weil der Mangel an schweren Elementen in massereichen Sternen ihren Sternwind weniger stark macht als in Sternen, die reich an schweren Elementen sind.Deshalb behalten die Armen mit schweren Elementen des Sterns während ihres ganzen Lebens den größten Teil ihrer Masse, und wenn es Zeit ist zu explodieren, erweisen sie sich als massiver. Der Kollaps ihrer Kerne führt zur Bildung eines Schwarzen Lochs, nicht eines Neutronensterns. Astronomen glauben, dass lange Gammastrahlenausbrüche durch dünne Strahlen verursacht werden, die durch sich schnell drehende schwarze Löcher ausgestoßen werden. Die entscheidenden Faktoren für den Zusammenbruch des Kerns des Sterns, um einen mächtigen Gammastrahlenausbruch zu verursachen, sind die Masse und Geschwindigkeit der Rotation des Sterns zum Zeitpunkt seines Todes.

Die Identifizierung von kurzen Gammastrahlenausbrüchen hat sich als schwieriger erwiesen. Erst in den letzten Jahren sind mehrere solcher Ereignisse aufgrund von Satelliten aufgetreten HETE 2 und Schnell. Das Hubble- und das Chandra-Röntgen-Observatorium haben herausgefunden, dass die Energie solcher Fackeln schwächer ist als langanhaltend, und sie treten in völlig verschiedenen Arten von Galaxien auf, einschließlich elliptischer Galaxien, in denen Sterne jetzt fast nicht gebildet werden. Es scheint, dass kurze Blitze nicht mit massiven, kurzlebigen Sternen in Verbindung gebracht werden, sondern mit den Überresten ihrer Evolution. Nach der gängigsten Hypothese treten kurze Gammastrahlenausbrüche auf, wenn zwei Neutronensterne verschmelzen.

8. Rand des Universums

Entfernte Galaxien, die eine Milliarde Mal schwächer sind als das bloße Auge sehen kann, sind in ultra-tiefen Hubble-Bildern verstreut. Foto © NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) und das HUDF-Team von hubblesite.org

Eine der grundlegenden Aufgaben der Astronomie ist es, die Entwicklung von Galaxien und ihren Vorfahren in einem Zeitintervall zu untersuchen, das so nahe wie möglich am Urknall liegt. Um zu verstehen, wie unsere Milchstraße einmal ausgesehen hat, haben Forscher beschlossen, Bilder von Galaxien verschiedenen Alters zu bekommen – von den jüngsten bis zu den ältesten. Zu diesem Zweck erhielt Hubble zusammen mit anderen Observatorien, um die entferntesten (und daher ältesten) Galaxien einzufangen, Bilder von mehreren kleinen Himmelsbereichen mit langen Belichtungszeiten: tiefe Hubble-Bilder, ein super-tiefes Hubble-Bild und einen tiefen Überblick über die großen Observatorien "Ursprung."

Supersensitive Bilder zeigen Galaxien im Universum, als sie nur einige hundert Millionen Jahre alt war, was nur 5% ihres gegenwärtigen Alters ist. Dann waren die Galaxien kleiner und weniger regelmäßig in ihrer Form als jetzt, wie man erwarten würde, wenn moderne Galaxien durch das Zusammenführen kleiner Galaxien (und nicht durch das Zerfallen größerer Galaxien) entstehen würden.Das Weltraumteleskop James Webb, das jetzt geschaffen wurde, der Erbe von Hubble, wird noch weiter entfernte Zeitalter durchdringen können.

Tiefe Bilder erlauben es auch zu verfolgen, wie sich die Intensität der Sternentstehung im Universum von Epoche zu Epoche verändert hat. Es scheint, dass es vor etwa 7 Milliarden Jahren seinen Höhepunkt erreicht hat und dann nach und nach etwa zehn Mal geschwächt wurde. In der Jugend des Universums (dh im Alter von 1 Milliarde Jahren) war die Sternbildungsrate bereits hoch und betrug 1/3 ihres Maximalwerts.

9. Alter des Universums

Die Beobachtungen von Edwin Hubble und seinen Kollegen in den 1920er Jahren zeigten, dass wir in einem expandierenden Universum leben. Galaxien laufen voneinander weg, als wäre der Raum des Universums gleichmäßig ausgedehnt. Hubble – Konstante (H0), die die aktuelle Expansionsrate anzeigt, ermöglicht es uns, das Alter des Universums zu bestimmen. Die Erklärung ist einfach: Die Hubble-Konstante ist die Geschwindigkeit der Streuung von Galaxien. Wenn wir also die Beschleunigung und Verzögerung vernachlässigen, ist die Größe umgekehrt zu H0, gibt die Zeit an, als alle Galaxien in der Nähe waren. Darüber hinaus spielt der Wert der Hubble-Konstante eine entscheidende Rolle für das Wachstum von Galaxien, die Bildung von leichten Elementen und die Festlegung der Dauer der Phasen der kosmischen Evolution.Es überrascht nicht, dass die genaue Messung der Hubble-Konstante von Anfang an das Hauptziel des gleichnamigen Teleskops war.

Um diesen Wert zu bestimmen, müssen in der Praxis die Entfernungen zu den nächsten Galaxien gemessen werden. Dies ist eine viel schwierigere Aufgabe als im 20. Jahrhundert angenommen wurde. Hubble erforschte Cepheiden im Detail – Sterne mit charakteristischen Pulsationen, deren Perioden in 31 Galaxien ihre wahre Brillanz und damit die Entfernung zu ihnen anzeigen. Die Genauigkeit des erhaltenen Wertes der Hubble-Konstante betrug etwa 10%. In Kombination mit den Ergebnissen der Messungen der CMB-Strahlung bestimmt dies das Alter des Universums – 13,7 Milliarden Jahre.

10. Beschleunigendes Universum

Im Jahr 1998 kamen zwei unabhängige Forschergruppen zu einer erstaunlichen Schlussfolgerung: Die Expansion des Universums beschleunigt sich. Normalerweise glaubten Astronomen, dass das Universum gehemmt ist, weil die Anziehung von Galaxien zueinander ihre Ausbreitung verlangsamen sollte. Das komplizierteste Rätsel der modernen Physik ist die Frage, was Beschleunigung bewirkt. Der Arbeitshypothese zufolge gibt es im Universum eine unsichtbare Komponente, die "Dunkle Energie" genannt wird. Die Kombination von Hubble-Beobachtungen, bodengebundenen Teleskopen und Messungen der CMB-Strahlung zeigt, dass diese dunkle Energie 3/4 der gesamten Energiedichte des Universums enthält.

Der Vergleich von Bildern unterschiedlicher Zeit führte nicht nur zur Entdeckung einer entfernten Supernova, sondern auch zur Identifizierung einer beschleunigten Expansion des Universums. Foto © NASA und J.Blakeslee (JHU) von hubblesite.org

Die beschleunigte Expansion begann vor etwa 5 Milliarden Jahren, und bis zu diesem Zeitpunkt war sie gehemmt. Im Jahr 2004 entdeckte Hubble 16 entfernte Supernovae, die dann ausbrachen. Diese Beobachtungen auferlegen den Theorien darüber, was dunkle Energie sein kann, erhebliche Einschränkungen. Die einfachste (und mysteriöseste) Möglichkeit ist, dass Energie dem Raum selbst gehört, selbst wenn er völlig leer ist. Heute ist das Beobachten entfernter Supernovae die beste Methode, dunkle Energie zu studieren. Hubbles Rolle bei der Erkundung dunkler Energie ist enorm, daher werden Astronomen dankbar sein NASAwenn das Teleskop gespeichert ist.

Hubbles Entdeckungen in Wissenschaftlicher Amerikaner:
1. Komet Shoemaker-Levy 9 trifft Jupiter. David H. Levy, Eugene M. Shoemaker und Carolyn S. Shoemaker. August 1995.
2. Suche nach Schatten anderer Erden. Laurance R. Doyle, Hans-Jörg Deeg und Timothy M. Brown. September 2000.
3. Die außerordentlichen Todesfälle gewöhnlicher Sterne. Bruce Balick und Adam Frank. Juli 2004 (Ungewöhnlicher Tod der gewöhnlichen Sterne // VMN, № 9, 2004).
4. Fountains of Youth: Frühe Tage im Leben eines Sterns. Thomas P. Ray. August 2000.
6. Das galaktische seltsame Paar. Kimberly Weber. Juli 2003 (Seltsames galaktisches Paar // VMN, № 10, 2003).
7. Die hellsten Explosionen im Universum. Neil Gehrels, Luigi Piro und Peter J. T. Leonard. Dezember 2002 (Die hellsten Explosionen im Universum / / VMN, № 4, 2003).
8. Galaxien im jungen Universum. F. Duccio Macchetto und Mark Dickinson. Mai 1997.
9. Die Expansionsrate und Größe des Universums. Wendy L. Freedman. November 1992.
10. Von Verlangsamung zu Beschleunigung. Adam G. Riess und Michael S. Turner. Februar 2004 (Von der Verzögerung zur Beschleunigung // VMN, № 5, 2004).


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