Az Univerzum korának meghatározásában játszott kimagasló szerepet a Hubble-űrtávcső

Tudományos eredmények, amelyekben komoly segítséget nyújtott a 30 éves Hubble Space Telescope (HST).Április 25-én volt harminc éve, hogy szolgálatba állították a Hubble-űrtávcsövet, ami azóta is egyike azon mérőeszközöknek, amelyek hozzásegítették a tudományt a legnagyobb áttörésekhez. A kerek évforduló apropóján összegyűjtöttek tíz olyan eredményt, amelyben a Hubble-űrtávcső kimagasló szerepet töltött be.

Az Univerzum kora: A széles körben elfogadott 13,7 milliárd (+/- 400 millió) évhez több évtizednyi kutatásra és megfigyelésre volt szükségük a tudósoknak. Ebből kifolyólag egyértelmű, hogy az Univerzum korát nem határozhatták meg egyetlen Hubble-méréssel.

Habár önmagában az űrtávcső sem volt elég a kormeghatározáshoz, mégis kijelenthető, hogy az összes csillagászati detektor közül a Hubble-űrtávcső játszotta legnagyobb szerepet. Ha ezt nem is mondják ki, mégis a HST főfeladata a névadója által bevezetett, és később róla elnevezett, Hubble-paraméter pontosítása volt. Ebből az értékből derül ki, hogy milyen ütemben tágul a Világegyetem, vagyis az, hogy egy meghatározott távolságban lévő galaxis milyen sebességgel távolodik tőlünk.

A ’90-es évek előtt a kozmológia világa két pártra szakadt az 50 és a 100 km/s/Mpc-es értékek mentén (1 Mpc [megaparszek] = 3,26 millió fényév). Ebben az időben a mérések hibája több, mint 50% volt, ami a csillagászatban is sok.

A vita több, mint két évtizede zajlott, amikor a Hubble-űrtávcső segítségével a kutatók megfigyelhették az akár százmillió fényéves távolságban található cefeida típusú csillagokat, amelyek fényességváltozási ciklusa összefügg az igazi fényességükkel, tehát alkalmasak távolságmérésre.

A megfigyelt csillagokat tartalmazó galaxisok távolodási sebességét korábban is könnyű volt kiméri. A két érték hányadosából (sebesség/távolság) adódott a minden korábbinál pontosabb (+/- 10%) Hubble-paraméter, amelyre 72 km/s/Mpc értéket kaptak a tudósok.

Ez azonban csupán egy újabb lépés volt a valóság megismerése felé, ugyanis később több független eredmény 68 és 75 km/s/Mpc közti érték között mozgott, az új projektekkel pedig az 1%-os pontosság elérésére törekszenek a kutatók.

A Hubble-paraméter alaposabb ismeretében, és annak múltbeli változását figyelembe véve, mára egészen pontosan kiszámítható, hogy mióta tágul a tér, vagyis az, hogy hány éves lehet az Univerzum.

Hubble (Ultra/eXtreme) Deep Field: A Hubble-űrtávcső megfigyelési feladatainak egyik meghatározó projektje volt a Hubble Deep Field (HDF, Hubble-mélyvizsgálat), ami egyetlen kép az űr egy sötét részéről, amit több ezer felvételből alkottak meg.

1995 decemberében két héten át, több részletben, de összes hat napnyi expozíciót hajtottak végre a Hubble-űrtávcsővel az égbolt egy látszólag üres szegletéről. Ennek eredménye elképesztő volt, ugyanis a HDF-en felbukkant több ezer fénypötty, pár csillagot leszámítva, mindegyike egy-egy galaxis. Ezek közül több az Univerzum korai szakaszából, nagyjából 13 milliárd évvel ezelőtti állapotukban, figyelhető meg.

Ezt a projektet azóta többször megismerték. 1998-ban a déli égbolt egyik területéről született meg a HDF South. Később növelték az expozíciós időt, majd 2004-ben elkészült az Ultra- (11 napnyi össz-expozíció), 2012-ben pedig az eXtreme Deep Field (23 nap).

A képek hasonlósága jelentős bizonyítékot jelent azon kozmológia elvek számára, amelyek szerint az Univerzum (megfelelően nagy skála esetén) minden irányból hasonló.Szupernóva-elődcsillag: A szupernóváknak csupán az egyik (II-es típusú) csoportja jön létre a nagy tömegű csillagok felrobbanásából. Ezzel szemben a másik osztályuk, amit sokszor Ia néven emlegetnek, olyan fehér törpecsillagokból alakulnak ki, amelyek átlépnek egy meghatározott határtömeget.

A fehér törpék ezt a társcsillaguktól elszívott plusz tömeggel érik el. Az elmúlt években több eredmény is azt igazolta, hogy ezek a társcsillag szintén fehér törpék, de kisebb tömegűek. Ugyanakkor míg a II-es típusú szülőobjektumok több esetben is azonosíthatóak, addig az Ia-szupernóvák csillagelődjei túl halványak ahhoz, hogy a robbanásuk előtt észleljék őket.

Ez alól csak az SN 2012Z szupernóva a kivétel, ugyanis tejesen véletlenül az NGC 1309 spirálgalaxis egy olyan szegletén robbant fel, amelyet a Hubble-űrtávcső évekkel korábban elképesztően részletes felvételekkel vizsgált végig.

Az utólagos keresés során a későbbi szupernóva pozícióján egy fényes, héliummal teli csillagot fedeztek fel, ami anyagot adhatott át a mellette lévő, de a csillag erős fénye miatt nem látható, fehér törpének, egészen annak robbanásáig.

Az SN 2012Z esete bebizonyította, hogy legalábbis a termonukleáris szupernóvák egy részénél normál állapotú, úgynevezett fősorozati, csillag donorként szolgál a fehér törpe számára.

Az Univerzum gyorsuló tágulása: Az Ia-típusú szupernóvák többsége nagyjából ugyanolyan körülmények között robban fel, emiatt standard (izálható) gyertyaként szoktak rájuk hivatkozni a tudósok, vagyis olyan objektumok, amelyeknek igazi fényessége szinte állandó, az általunk látott fényességüket pedig csak a távolságuk befolyásolja.

Ezekkel a csillagrobbanásokkal tehát távolságokat mérhetnek, sőt, a fényességük miatt akár hatalmas, kozmológiai (több milliárd fényéves) skálákon is. A ’90-es évek második felében ezt a célt tűzte ki maga elé két rivális kutatócsoport, a High-Z Supernova Search Team és Supernova Cosmology Project.

A legtávolabbi szupernóvák fényességméréséhez a legjobb teleszkóp kellett, ezért, bár mind a két csapat végzett kiegészítő méréseket, mégis az adatok nagy részét a Hubble szolgáltatta nekik. Az egymástól külön dolgozó kutatók ugyanazzal az eredménnyel álltak elő: az Univerzum gyorsuló ütemben tágul!

A mostani tudásunk alapján ez csupán a gravitáció feltételezésével nem lenne lehetséges, ezért vezették be a tágulást okozó hatást, a sötét energiát. Ezért a tudományos eredményért 2011-ben fizikai Nobel-díjat kaptak a kutatócsoport vezetői (Saul Perlmutter, Adam G. Riess és Brian P. Schmidt).

A Pluto holdjai: A mostani ismereteink szerint a Plutónak öt holdja van, amelyek közül az elsőt, a Charont, a hatalmas távolság ellenére, egészen korán, már 1978-ban sikerült felfedezniük a tudósoknak. Ez a bravúr leginkább a hold nagy méretének köszönhető.

A további felfedezésekre sokat kellett várni, ugyanis csak 2005-ben vált ismét fontossá, hogy az elérhető legnagyobb felbontással rendelkező optikai teleszkóppal, a Hubble-űrtávcsővel vizsgálják meg a Pluto rendszerét, ahova hamarosan elindult a NASA New Horizons űrszondája.

Az ebben az időszakban még bolygóként számon tartott Pluto körül a Hubble rögtön két új holdat talált, amelyek a Nix és a Hydra nevet kapták. 2011-ben, amikor a Pluto körüli eseteges gyűrűket keresték, felfedezték a negyedik holdat, ami a Kerberos nevet kapta. 2012-ben a New Horizons-ra potenciálisan veszélyes objektumokat kerestek, amikor a Hubble felvételén újabb hold jelent meg, ami Styx nevet kapta a tudósoktól.

Látványos felvételek: A legtöbb embernek a látványos színekkel teli, rendkívül éles képek jutnak először eszébe a Hubble-ről, és ez nem véletlen, hiszen az elmúlt 30 évben az űrtávcső tulajdonképpen az összes jelentősebb csillagászati objektumról készített már felvételt. Ez alól a Nap és a Merkúr kivétel, aminek oka a csillagunk vakító fénye, a Hold felszínéről viszont készültek felvételek.A szupernagy tömegű fekete lyukak felfedezése: A fekete lyukak létezését több, mint egy évszázada gyanították a kutatók, akik az 1960-as években már sejtették, hogy ezeknek az objektumoknak az extrém nagy tömegű képviselői rejtőznek a galaxisok központi régióiban.

Ebben az esetben azonban hiába a hatalmas tömeg, ugyanis kibocsátott fényesség hiányában nehéz kimutatni egy fekete lyukat, a galaxisok közepén pedig gyakran még komplikáltabb a helyzet. A Tejútrendszer esetében a majdnem mindent elrejtő, sűrű gáz- és porfelhők nehezítették a szupernagy tömegű fekete lyuk azonosítását. Más galaxisok esetében a nagy távolságok akadályozták a kellően precíz méréseket.

A Hubble különleges felbontása itt is jó szolgálatot tett, hiszen ez nemcsak a képalkotás részletességénél, hanem a színképek felvételénél is alkalmazható. Ennek köszönhető, hogy az 1993-as szervizmisszió után az űrtávcső egyik legelső célpontját a M87 óriás elliptikus galaxis központi régiója jelentette.

A kutatók csak a HST-vel tudták kimérni a csillagok és a gázfelhők elképesztően magas keringési sebességét, aminek okozója csak egy extrém tömegű monstrum gravitációja lehetett. Pont úgy, mint egy szupernagy tömegű fekete lyuk is. Az M87 például egy majdnem hárommilliárd naptömegű monstrum (a számérték jelenleg 6,5 milliárdra pontosult).

Azt követően, hogy a tudósok több galaxisra ki tudták terjeszteni a Hubble méréseit, kiderült, hogy a szupernagy tömegű fekete lyukak nemcsak, hogy minden óriásgalaxis központjában jelen vannak, hanem az évmilliárdok során a galaxisaikkal együtt fejlődtek, avagy híztak is.

Időjárás-jelentés más bolygókról: Hubble fejlesztésének elsődleges célja a távoli, (extra)galaktikus objektumok megfigyelése volt, de ez nem zárta ki annak lehetőségét, hogy ne fedezhettek volna fel vele naprendszerbeli objektumok is.

Sőt, a főtükör hibája miatt egészen az 1993-as első szervizmisszióig, szinte kizárólag bolygókat és bolygóközi célpontokat vizsgáltak vele. Az ettől az időszaktól eltelt évek során napjainkig a kutatók rendszeres időközönként arra használják az űrtávcsövet, hogy megfigyeljék az óriásbolygókat, azoknak is leginkább a felsőlégköri folyamataikra kíváncsiak.

Tekintve, hogy ezek a jelenségek a Jupitertől a Neptunuszig bezárólag hosszabb-rövidebb ideig folyamatos viharok és stabil áramlatok, ezért nyugodtan lehet időjárás-jelentésnek nevezni, most már egy évtizedes távlatban.

Ehhez hasonlóan volt már a Mars is a Hubble célpontja, amikor szezonális változásokat és globális méretű homokviharokat örökített meg a bolygóról.Térkép a sötét anyaghoz: A kozmológiai modellek alapján az Univerzum egészének 23%-át (ebből kikövetkeztetve az összes anyag 85%-át) teszi ki a sötét anyag, ami jelenleg egyike a tudományos rejtélyeknek, ugyanis a tudósok még nem derítették ki, hogy mi alkotja, nem mutat detektálható sugárzást, de a gravitációja kimutatható a galaxisokban és a köztük található, világító anyagtól mentes intergalaktikus térben is.

Mindezt a Hubble-távcső a hatalmas galaxishalmazok gravitációja okozta lencsehatás révén derítette fel, ami eltorzítja a háttérben található galaxis vagy kvazár fényét. A torzítás nagysága a gravitáló tömegtől és annak elhelyezkedésétől függ, amiből levonva (a más módszerekkel is meghatározható) világító anyag tömegét, meghatározható a halmaz sötétanyag-tartalma.

A több galaxishalmaz irányából végzett kutatás során a tudósok amolyan háromdimenziós térképet állítottak össze a sötét anyag eloszlásáról, amely esetében a Földtől mért távolsággal időben is visszakövethették a sötét anyag mennyiségét és csomósodását.

Shoemaker-Levy 9 üstökös: 1993 márciusában fedezte fel a Shoemaker házaspár és David Levy azt az üstököst, ami abban különbözött a hagyományos üstökösöktől, hogy nem a Nap, hanem a Jupiter örül keringett.

A számításokból kiderült, hogy az óriásbolygó nagyjából 30 évvel korábban foghatta be a néhány kilométer átmérőjű, sziklás-jeges objektumot, amit egyre közelebb és közelebb sodródott a Roche-határhoz, amin túl a Jupiter árapályerői már szét tudják tépni a lazán kötött üstökösmagot.

Ez következett be 1994-ben, amitől kezdve minimum húsz nagyobb darabból álló törmelék haladt a Jupiter felsőlégköre felé. A Hubble ekkor örökítette meg az elérhető legnagyobb felbontással a Shoemaker–Levy 9 maradványait, és azok sorozatos becsapódása által keletkező légköri turbulenciákat a Jupiteren.

Ez nemcsak az első, hanem máig az egyetlen megfigyelt ütközés két nagyobb naprendszerbeli objektum között.

A Fomalhaut b különös története: Az elmúlt tíz év intenzív exobolygó-kutatásának eredményeként a tudósok több, mint négyezer planétát fedeztek fel távoli csillagok körül. A saját fényük hiánya miatt az exobolygókat a csillagukra gyakorolt hatásuk alapján, közvetetten fedezték fel.

Ez alól mindössze néhány speciális eset a kivétel. Ezek egyike a csak 25 fényévre található Fomalhaut csillag, amely körül régebben porkorongot találtak az infravörösben végzett mérésekkel. Ennek az alaposabb vizsgálata derített fel egy apró fénypöttyöt, ami megfelelt egy porban gázoló, és így az optikai tartományban sugárzó exobolygó modelljének.

Így lett a Fomalhaut b az első közvetlen leképezéssel felfedezett exobolygójelölt. Az objektum útját több, mint tíz éven át rendszeresen megfigyelték, de mára teljesen eltűnt. Ugyanakkor ez nem lepte meg a kutatókat, ugyanis az utóbbi években a Fomalhaut b folyamatosan halványodott.

Itt felmerül a kérdés, hogy egy bolygó hogyan veszíthet a fényéből? A válasz az, hogy gyanítható, hogy a Fomalhaut b már a 2004-es felfedezésekor sem volt exobolygó. A megfigyelt objektum viselkedése hasonlít egy kicsit korábbi, két több száz kilométer átmérőjű objektumok közötti ütközés maradványaira, amelyeknek por- és törmelékfelhője apránként oszlik el a Fomalhaut körül.

(Forrás: csillagaszat.hu)