انتقال به سرخ و انبساط جهان

در اولین دهه قرن بیستم ، حتی قبل از آنکه ماهیت فراکهکشانی سحابی های مارپیچی درک شود، منجمین توسط اندازه گیری های خطوط طیفی انتقال دوپلری شروع به مشاهدات اصولی از سرعت های شعاعی کهکشان ها کردند.جای امیدواری است که اگر حرکات این اجسام تصادفی باشند ، لذا حرکت خورشید در راه شیری باید با مجموع بردار سرعت های شعاعی سحابی ها ارتباط داشته باشد. اسلایفر که در رصد خانه لاول مشغول به کار بود کشف کرد که این طرح محکوم به شکست است. سرعت های سحابی ها تصادفی نبودند. در عوض اکثر طیف ها خطوط طیفی قرمز گرایی را نشان می دادند. در سال 1914 اسلایفر اعلام کرد که اکثر 12 کهکشانی که بررسی کرده است به سرعت در حال دور شدن از زمین بوده اند. هرچند طیف آبی گرای کهکشان آندرومدا نشان میداد که این کهکشان با تندی 300 کیلومتر بر ثانیه در حال نزدیک شدن به زمین است.
مشاهدات نشان داد که این کهکشان ها نه تنها در حال دور شدن از زمین هستند بلکه در حال دور شدن از یکدیگر نیز می باشند. تا سال 1925، اسلایفر 40 کهکشان را مورد بررسی قرار داد و تایید کرد که طیف نشان دهنده خطوط قرمز گرایی، از آبی گرایی رایج تر هستند. اسلایفر به این نتیجه رسید که تقریباً هر کهکشانی که مورد بررسی قرار داده است به سرعت در حال دور شدن از زمین است.

انتقال به سرخ

فاصله ی یک کهکشان خاص از موقعیت ما را میتوان با اندازه گیری درجه ی انتقال به سرخ اندازه گیری کرد. هنگامی که نور رسیده از یک کهکشان از طیف نگار عبور داده شود خطوط تاریک و روشن، از این رنگ های از هم جدا، گواه حضور اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن، پتاسیم، سدیم و دیگر عناصر است.

در تجزیه و تحلیل طیف کهکشان ها، الگوهای رنگ به سمت طول موج های بلندتر کشیده شده است. این کشش، انتقال به سرخ نام دارد. هرچه کهکشانی دورتر باشد انتقال به سرخ آن بیشتر است. بنابراین انتقال به سرخ نشان دهنده ی فاصله ی دقیق هر کهکشان نسبت به ما است. با تکنولوژی سنجش انتقال به سرخ تلاشها برای اکتشاف فراتر از جهان نزدیک تا حد زیادی شتاب گرفت.

کیهانشناسی مشاهداتی مبتنی بر تعیین فاصله ی اشیا بر اساس انتقال به سرخ آنها است. اگر ما خطوط جذبی مشاهده شده در طیف کهکشان ها را در نظر بگیریم میدانیم که شکل تقریبی طیف در طول موج های متفاوت با توجه به درخشش کهکشان بدست می آید و ما انتظار داریم که طول موج هایی خاص توسط گازهایی در کهکشان جذب شوند. جذب در این طول موج های خاص در همه ی کهکشان ها اتفاق می افتد. با این حال با توجه به انبساط فضا چون نور از سمت کهکشان به سمت ناظر در حرکت است دچار انتقال به سرخ میشود. به روشی مشابه اگر فضا دچار انقباض میشد ما می توانستیم انتظار انتقال به آبی را از نور داشته باشیم. اثر روی خطوط مشاهده شده را می توان در شکل زیر دید:  

طیف اول: بدون انتقال؛ طیف دوم: انتقال به سرخ و جابجایی خطوط جذبی به سمت راست؛ طیف سوم: انتقال به آبی و جابجایی خطوط جذبی به سمت چپ

قانون انبساط جهانی هابل

در سال 1925 ، هابل ستارگان متغیر قیقاووسی را در M31 کشف کرد و تصدیق کرد که سحابی آندرومدا در واقع یک کهکشان خارجی است . هابل به تحقیقات خود ادامه داد و فواصل تا 18 کهکشان را تعیین کرد. او نتایج خود را با سرعت های اسلایفر ترکیب کرد و کشف کرد که سرعت دور شدن کهکشان v ، با فاصله آن d متناسب است. در سال 1929 هابل نتایج خود را در مقاله ای تحت عنوان " رابطه میان فاصله و سرعت های شعاعی در سحابی های فراکهکشانی" ارائه داد. این رابطه:

امروزه قانون هابل خوانده میشود H0 . ثابت هابل است. معمولاً v برحسب کیلومتر برثانیه و d برحسب مگاپارسک است. بنابر این ثابت هابل یکای کیلومتر بر ثانیه بر مگا پارسک دارد.
هابل متوجه شد که با اندازه گیری قرمز گرایی کهکشانها یک روش فوق العاده قدرتمند برای یافتن فواصل آنها کشف کرده است. نتایج اولیه او ، یک خط مستقیم را که از میان نقاط پراکنده برروی نمودار سرعت در مقابل فاصله کشیده شده بود نشان می دهد. شکل(2-4).

رابطه سرعت- فاصله هابل

انبساط فضا و شاره هابل

به منظور درک اینکه انبساط جهان واقعا چیست، تصور کنید که زمین در حال انبساط بوده و در طول یک ساعت، اندازه آن دو برابر میشود.شکل 3-4 این اثر را روی ایالات متحده با دو نقشه نشان میدهد.در ابتدا پارک ملی یلو اِستون  در فاصله 500km از شهر دریاچه نمک است، آلبوکرک 1000km دورتر است و مینیاپولیس در 2000km می باشد. یک ساعت بعد یلو اِستون در 1000 کیلومتری، آلبوکرک در 2000 کیلومتری و مینیا پولیس در 4000 کیلومتری می باشند. بنابراین ساکنان شهر دریاچه نمک میبینند که یلواستون با سرعت 500 کیلومتر بر ساعت از آنها دور میشود. لذا سرعت دور شدن که متناسب با فاصله است نتیجه طبیعی یک انبساط همگن و همسانگرد می باشد. البته ناظران در یلواستون ، البوکرک و مینیاپولیس هم همین نتیجه را خواهند گرفت. هر شخصی در این انبساط دیگری را در حال دور شدن با سرعتی که از قانون هابل پیروی میکند می بیند.

اثر دوبرابر شدن اندازه زمین از منظر یک منجم در شهر دریاچه نمک

بین سرعت یک کهکشان در فضا (سرعت ویژه) و سرعت دور شدن آن ناشی از انبساط جهان، یک تمایز اساسی وجود دارد. سرعت دور شدن یک کهکشان، ناشی از حرکت آن در فضا نیست. بلکه همانطور که جهان منبسط میشود کهکشان همراه با فضای اطراف حرکت میکند. به حرکت کهکشان ها همانطور که در انبساط جهان شرکت دارند به عنوان شاره هابل ارجاع میشود. به روشی مشابه، همانطور که طول موج نور گسیل شده توسط کهکشان همراه با فضایی که نور در آن حرکت میکند کشیده میشود، قرمز گرایی کیهان شناسی توسط انبساط تولید میشود. به این دلیل، قرمز گرایی کیهان شناسی به سرعت دور شدن کهکشان مربوط نمیشود.
مهم است بدانیم که اگرچه جهان در حال انبساط است اما این بدین معنا نیست که برای مثال، مدارات سیارات اطراف خورشید در حال انبساط می باشند. سیستم های بطور گرانشی مقید در انبساط جهانی شرکت ندارند. همچنین هیچ مدرکی دال بر این که ثابت هایی که از قوانین بنیادی فیزیک تبعیت میکنند (مانند ثابت گرانش، نیوتون،G ) زمانی با مقادیر فعلی خود اختلاف داشته اند، وجود ندارد. بنابراین اندازه اتم ها، سیستم های سیاره ای و کهکشانها به دلیل انبساط فضا هیچ تغییری نکرده اند.