Astronomija

Galaksije i svemir koji se širi

Einstein je gotovo odmah primijenio svoju teoriju gravitacije na svemir kao cjelinu, objavio je svoj prvi kosmološki rad 1917. Budući da nije bio dobro upoznat s nedavnim radom u astronomiji, pretpostavio je da je svemir statičan i nepromjenjiv. Einstein je pretpostavio da je materija ravnomjerno raspoređena po svemiru, ali nije mogao naći statičko rješenje svojih poljskih jednadžbi. Problem je bio u tome što bi uzajamna gravitacija sve materije u svemiru imala tendenciju da svemir postane ugovor. Stoga je Einstein uveo dodatni izraz koji sadrži faktor Λ, „kosmološku konstantu“. Novi je izraz osigurao univerzalnu kozmičku odbojnu silu, koja bi mogla djelovati na velikim udaljenostima u svrhu suzbijanja učinaka gravitacije. Kad je kasnije saznao za širenje svemira, Einstein je kozmološku konstantu opisao kao najveću grešku u svojoj karijeri. (No, kosmološka konstanta prešla je u kozmologiju kraja 20. i 21. stoljeća. Čak i kad je Einstein bio u krivu, često je bio u nečemu dubokom.)

Einsteinovo statičko rješenje predstavljalo je svemir konačnog volumena, ali bez rubova, kao što je prostor zakrivljen na sebi. Tako je zamišljeni putnik mogao zauvijek putovati ravnom linijom i nikad ne doći na rub svemira. Prostor ima pozitivnu zakrivljenost, pa se kutovi u trokutu povećavaju na više od 180 °, iako bi višak bio vidljiv samo u trokutima dovoljne veličine. (Dobra dvodimenzionalna analogija je Zemljina površina. Područje je ograničeno, ali nema ruba.)

Početkom 20. stoljeća većina profesionalnih astronoma i dalje je vjerovala da je Mliječni put u osnovi ista stvar kao i vidljivi svemir. Manjina je vjerovala u teoriju ostrvskih svemira - da su spiralne maglice ogromni sustavi zvijezda, uporedivi sa Mliječnim putem i raštrkane su u prostoru s velikim praznim udaljenostima između njih. Jedan prigovor teoriji otoka-svemira bio je taj što se vrlo malo spirala vidi u blizini ravnine Mliječnog puta, takozvane Zone izbjegavanja. Dakle, spirale moraju nekako biti dio sustava Mliječnog puta. No, američki astronom Heber Curtis istaknuo je da neke spirale koje se mogu vidjeti s ruba očito sadrže ogromne količine prašine u njihovim "ekvatorijalnim" ravninama. Također bi se moglo očekivati da Mliječni put ima veliku količinu prašine po cijeloj ravnini, što bi objasnilo zašto se tu ne mogu vidjeti mnoge prigušene spirale; vidljivost je jednostavno prikrivena na niskim galaktičkim širinama. Curtis je 1917. na svojim fotografijama spirale pronašao i tri novae; nepomičnost ovih novihe podrazumijevala je da su se spirale nalazile na velikim udaljenostima od Mliječnog puta.

Statički karakter svemira ubrzo je doveden u pitanje. 1912. godine, u opservatoriju Lowell u Arizoni, američki astronom Vesto M. Slipher počeo je mjeriti radijalne brzine spiralnih maglina. Prva spirala koju je Slipher pregledao bila je maglica Andromeda, za koju se ispostavilo da je pomaknuta u modu - to jest, kreće se prema Mliječnom putu - brzinom približavanja od 300 km (200 milja) u sekundi, što je najveća brzina ikad izmjerena za bilo koji nebeski objekta do tog vremena. Do 1917. godine Slipher je imao radijalne brzine za 25 spirala, neke i do 1000 km (600 milja) u sekundi. Predmeti koji se kreću takvim brzinama teško bi mogli pripadati Mliječnom putu. Iako je nekolicina njih promijenila modu, ogromna većina je promijenjena u skladu s pomicanjem udaljenim od Mliječnog puta. Astronomi, međutim, nisu odmah zaključili da se svemir širi. Umjesto toga, jer Slipherove spirale nisu bile ravnomjerno raspoređene po nebu, astronomi su upotrijebili podatke kako bi pokušali zaključiti brzinu Sunca u odnosu na sustav spirala. Većina Slipherovih spirala bila je s jedne strane Mliječnog puta i povlačila se, dok se nekoliko nalazilo na drugoj strani i približavalo se. Za Sliphera je Mliječni put sam bio spirala koja se kreće u odnosu na veće polje spirale.

Godine 1917. nizozemski matematičar Willem de Sitter pronašao je još jedno prividno statičko kosmološko rješenje jednadžbi polja, različitog od Einsteinova, koje je pokazalo povezanost između udaljenosti i crvenog pomaka. Iako nije bilo jasno da de Sitter-ovo rješenje može opisati svemir, budući da je lišen materije, to je motiviralo astronoma da potraže odnos između udaljenosti i crvenog pomaka. Godine 1924. švedski astronom Karl Lundmark objavio je empirijsku studiju koja je dala otprilike linearni odnos (premda s mnogo razmaka) između udaljenosti i brzine spirale. Poteškoća je bila u znanju udaljenost dovoljno točno. Lundmark je koristio novae koje su opažene u maglici Andromeda da utvrde udaljenost te maglice pretpostavljajući da će te nove imati istu prosječnu apsolutnu svjetlinu kao nove na Mliječnom putu čije su udaljenosti približno poznate. Za više udaljene spirale Lundmark se pozvao na sirove pretpostavke da te spirale moraju imati isti promjer i svjetlinu kao maglica Andromeda. Tako su novae funkcionirale kao standardne svijeće (to jest predmeti s definiranom svjetlinom), a za udaljenije spirale same su spirale postale standardna svijeća.

S teorijske strane, između 1922. i 1924. ruski matematičar Aleksander Friedmann proučavao je nestalna kosmološka rješenja Einsteinovih jednadžbi. Oni su nadišli Einsteinov model dopuštajući širenje ili sažimanje svemira i izvan de Siterovog modela dopuštajući da svemir sadrži materiju. Friedmann je također predstavio kozmološke modele s negativnom zakrivljenošću. (U negativno zakrivljenom prostoru kutovi trokuta iznose manje od 180 °.) Friedmannova rješenja imala su malo neposrednog utjecaja, dijelom zbog njegove rane smrti 1925. i dijelom zato što nije povezao svoj teorijski rad s astronomskim opažanjima. Nije pomoglo to što je Einstein objavio bilješku tvrdeći da Friedmannov rad iz 1922. sadrži temeljnu pogrešku; Einstein je kasnije povukao ovu kritiku.