donderdag, februari 13, 2025
Geschiedenis

100 jaar geleden maakte Edwin Hubble het heelal veel groter

Het is dit jaar 100 jaar geleden dat Edwin Hubble een heelal gevuld met sterrenstelsels onthulde voorbij ons eigen sterrenstelsel.

Edwin Powell Hubble
Edwin P. Hubble By Johan Hagemeyerhttp://hdl.huntington.org/cdm/ref/collection/p15150coll2/id/129, Public Domain, Link

Als we 101 jaar terug in de tijd konden gaan zouden we in een tijd komen waarin astronomen nog dachten dat de Melkweg het hele heelal was. Maar als we 100 jaar terug zouden gaan dan zouden we zien dat de meeste astronomen het erover eens zijn dat dit niet waar is. Ergens in die tussentijd realiseerden mensen zich dat het heelal veel groter is dan onze Melkweg – dat de spiraalstelsels die zichtbaar zijn door telescopen in feite andere sterrenstelsels op zichzelf waren. De omvang van het heelal was in één nacht tijd dramatisch toegenomen.

Volgens historische gegevens hebben we dat aan één man te danken: Edwin P. Hubble, dat is zeker gedeeltelijk waar maar hij had het niet kunnen doen zonder het genie van anderen om hem heen die de weg vrijmaakten voor deze ontdekking.

Het is gemakkelijk om Hubble en zijn ontdekking van het heelal buiten de Melkweg te romantiseren maar zijn werk berust echt op de schouders van een aantal mensen. Dit zegt Jeff Rich, astronoom aan het Carnegie Science Observatories, tijdens de 245ste bijeenkomst van de American Astronomical Society begin deze maand.

Dat Rich het verhaal van Edwin Hubble presenteerde op de 100ste AAS-bijeenkomst in januari 2025 was symbolisch want het was op de 33ste bijeenkomst van de AAS, op 1 januari 1925, dat Hubble’s werk officieel voor het eerst werd gepresenteerd.

Rich beschrijft de ontdekking van het heelal voorbij de Melkweg als een openbaring die eeuwen in de maak was en bespreekt hoe ons begrip van onze plaats in het heelal geleidelijk samensmolt met nieuwe ontdekkingen. De twee mensen op wiens schouders Hubble het meeste stond waren echter Henrietta Swan Leavitt en Harlow Shapley.

De belangrijkste sterren in het heelal

Leavitt werkte bij het Harvard Collega Observatory als een “computer” die fotografische platen analyseerde die door telescopen van Harvard waren genomen. Leavitt onderzocht met name afbeeldingen van de Kleine en Grote Magelhaanse Wolken en had 1800 variabele sterren in deze afbeeldingen geïdentificeerd. In twee artikelen die Leavitt in 1908 en 1912 schreef kon ze vaststellen dat veel van deze variabele sterren een kenmerkende periode-lichtintensiteit hadden. Met andere woorden, ze realiseerde zich dat de tijd die het duurde dat de sterren regelmatig pulseerden en helderder en zwakker leken naarmate ze samentrokken en uitdijden, afhankelijk was van hoe helder ze waren.

Dit was een belangrijke ontdekking. Stel dat je een van deze variabelen vond, later Cepheïden genoemd. Je weet misschien niet hoe ver weg de ster is maar op basis van de periode van variatie van Cepheïden zou je kunnen berekenen hoe intrinsiek helder de Cepheïde is. Dan hoe je alleen nog maar de werkelijke lichtsterkte te vergelijken met hoe zwak d ester aan de nachtelijke hemel lijkt om uit te rekenen hoe ver weg de ster is. Zelfs vandaag de dag is Leavitt’s periode-lichtsterkterelatie een belangrijk concept dat astronomen gebruiken bij het meten van afstanden in het heelal.

Henrietta Swan Leavitt
Henrietta Swan Leavitt op middelbare leeftijd aan het werk aan haar bureau (credit: wikipedia)

Ondertussen is het ironisch dat Harlow Shapley, gezien zijn fundamentele rol in Hubble’s verhaal, niet geloofde dat er iets anders was dan de Melkweg. Begin 20ste eeuw waren telescopen niet krachtig genoeg om individuele sterren in andere sterrenstelsels te onderscheiden, dus spiraalvormige sterrenstelsels leken meer op spiraalvlekken en werden spiraalnevels genoemd. Shapley vermoedde dat de spiraalnevels gewoon sterren waren die zich aan de rand van de Melkweg bevinden.

Shapley’s doel was om de grootte van de Melkweg te meten – en dus het heelal zoals hij het zag – door de eerste officiële kosmische afstandsladder te creëren. Cepheïden die hij in ons sterrenstelsel identificeerde waren de eerste sport. Vervolgens waren er RR Lyrae-sterren, een ander soort variabele sterren met een vergelijkbare periode-lichtsterkterelatie als Cepheïden en waarvan de afstanden konden worden gekalibreerd door ze te vergelijken met de Cepheïde-variabelen. Tot slot gebruikte hij RR Lyrae-variabelen om de afstand tot gewone, massieve sterren nabij de rand van de Melkweg te kalibreren.

Shapley bepaalde dat de Melkweg een doorsnede van 300.000 lichtjaar had en dat ons zonnestelsel 50.000 lichtjaar van het centrum was verwijderd. Hoewel we nu weten dat de nauwkeurige waarden 100.000 lichtjaar respectievelijk 26.000 lichtjaar zijn, vertegenwoordigde Shapley’s resultaat het eerste gebruik van een komische afstandsladder. In april 1920 nam Shapley zelfs deel aan het “Grote Debat” met collega-astronoom Heber Curtis. Tijdens dit debat werd de aard van spiraalnevels besproken. Curtis beweerde dat de spiraalnevels op zichzelf staande sterrenstelsels waren maar zei dat de Melkweg slechts 10.000 lichtjaar in doorsnede was. Shapley beweerde het tegenovergestelde.

Hubble schuift aan

In 1919 begon Edwin Hubble met zijn werkzaamheden aan de Mount Wilson sterrenwacht in Californië. Dit was 2 jaar nadat de 2,5 meter Hooker Telescope in gebruik was genomen. Dit was destijds de grootste telescoop ter wereld. Hubble’s doorbraak werd mogelijk gemaakt omdat hij toegang had tot dit geavanceerde instrument.

De Hooker telescoop was het geesteskind van George Ellery Hale en was ontworpen om, onder andere, de puzzel van spiraalnevels op te lossen. De telescoop kon worden gebouwd dankzij een gift van $45.000 van de Californische filantroop John Hooker.

In dit verhaal spelt nog een ander persoon een belangrijke rol: Milton Humason. Oorspronkelijk aangenomen als ezeldrijver voor het vervoeren van bouwmaterialen en apparatuur op Mount Wilson tijdens de aanbouw van de sterrenwacht. Hij werd er vervolgens conciërge en daarna assistent van astronomen die de telescoop gebruikten. Humason en Hubble werden bijna onafscheidelijk aan de telescoop en terwijl Humason zelf veel ontdekkingen deed, ondanks dat hij niet had gestudeerd, verdient hij een groot deel van de eer die Hubble krijgt.

Hubble en Humason gingen aan de slag om met de Hooker-telescoop spiraalnevels waar te nemen. In 1923 slaagden ze erin bij het maken van een afbeelding van de Andromeda-spiraalnevel, Messier 31. Deze opname onthulde iets heel bijzonders.

Hubble was zo enthousiast over deze afbeelding dat hij ”VAR!” op de zwart-witte glasplaat schreef. Hij had namelijk bewijs gezien van een Cepheïde variabele ster. Hij wist, dankzij het werk van Henrietta Swan Leavitt en Harlow Shapley, dat dit betekende dat hij voor het eerst de afstand tot een spiraalnevel kon berekenen.

En dat deed hij. Hij berekende een afstand van 930.000 lichtjaar, wat minder is dan de werkelijke afstand van 2,5 miljoen lichtjaar, maar ondanks de beperkingen van Hubble’s rudimentaire berekening (de kosmische afstandsladder wordt zelfs vandaag de dag nog steeds verfijnd), toonde het duidelijk aan dat de Andromeda-spiraal bestond buiten de grenzen van de 300.000 lichtjaar die Shapley voor de Melkweg had berekend. Messier 31 was geen spiraalnevel. Het was een spiraalvormig sterrenstelsel.

Een blik op de Melkweg met vier afbeeldingen van Cepheïden eroverheen.
Hubble Space Telescope-afbeeldingen van V1 (inset), de Cepheïde veranderlijke ster in de Andromedaspiraal waarmee Edwin Hubble de afstand van de spiraal kon meten en kon bewijzen dat deze en andere spiralen op zichzelf “eilanduniversums” waren. (Credit:: NASA/ESA/Hubble Heritage Project (STScI/AURA)/Robert Gendler)

Om hem te informeren schreef Hubble een brief aan Shapley over zijn ontdekking. Toen Shapley zijn brief las zei hij ”Hier is de brief die mijn heelal vernietigde.”

In november 1924 “lekte” Hubble het nieuws van zijn ontdekking naar de New York Times, wat de reden is dat de presentatie bij de AAS in januari van het jaar daarop, die in werkelijkheid werd gegeven door astronoom Henry Norris Russell en niet door Hubble zelf, slechts de officiële onthulling was – hoewel mensen er al van wisten.

Tegenwoordig gaan we ervan uit dat het heelal vol is met sterrenstelsels, sommige spiralen zoals de Melkweg en Andromeda, sommige gigantische elliptische sterrenstelsels en andere kleine dwergsterrenstelsels. Bij de laatste telling werd geschat dat er tot wel 2 biljoen sterrenstelsels in het zichtbare heelal bestaan. En toch merkt astronoom Rich op dat Hubble’s baanbrekende ontdekking eigenlijk relatief recent was.

Honderd jaar is niet zo ver weg. Er zijn nog een paar mensen op de wereld die nog ouder zijn, geboren in een tijd voordat we wisten dat er andere sterrenstelsels bestonden. Dit is echt een les van hoezeer dingen zijn veranderd en hoe snel ontdekkingen op ons af kunnen komen.

Tegenwoordig is de fotografische plaat die de Cepheïde-variabele V1 vastlegt, met Hubble’s gekrabbelde “VAR!” in een hoek, een kostbaar relikwie van ontdekking, het soort ding waar een wetenschappelijke Indiana Jones over duizend jaar naar op zoek zou gaan. Gelukkig hoef je niet zo’n zware reis te ondernemen om die plaat te vinden. normaal gesproken wordt de plaat achter slot en grendel bewaard, maar nu is hij naar buiten gebracht om te luchten en is hij momenteel een paar maanden te zien in de tentoonstelling “Mapping the Infinite: Cosmologies Across Cultures” in het Los Angeles County Museum.

Wat Hubble betreft stopte het daar niet. Zijn daaropvolgende stemvorkdiagram van de vormen van sterrenstelsels blijft een klassiek lesinstrument voor astronomen, en hoewel de evolutie van sterrenstelsels die de stemvork afbeeldt achterstevoren is, gebruiken professionele astronomen nog steeds de nomenclatuur van de stemvork van “vroege” en “late” sterrenstelsels.

Toen, in 1929, onthulde Hubble dat bijna alle sterrenstelsels in het heelal zich van ons af bewegen, deels gebaseerd op roodverschuivingen door collega-astronoom Vesto Slipher, en in lijn met het theoretisch werk van de Belgisch natuurkundige en priester Georges Lemaître, die afleidde wat bekend is geworden als de wet van Hubble-Lemaître die de uitdijing van het heelal beschrijft.

In een tijdsbestek van vijf jaar waren we gegaan van het denken dat de Melkweg alleen was naar het ontrafelen van een oneindig, uitdijend heelal. Het was een behoorlijke paradigmaverschuiving en, volgend op Albert Einsteins Algemene Relativiteitstheorie, uitgebracht in 1915, en rond dezelfde tijd dat ’s werelds grootste natuurkundigen, onder leiding van Niels Bohr, het domein van de kwantumfysica aan het uitvogelen waren, was het een hoeksteen van een transformerend tijdperk in de wetenschap dat ons huidig begrip van het heelal heeft gevormd. Met nieuwe mysteries zoals donkere materie, donkere energie, de zoektocht naar een kwantumtheorie van zwaartekracht, de Hubble-spanning en de oorzaak van de Oerknal die natuurkundigen allemaal verbijsteren, zou dit een geweldig moment zijn voor een nieuwe transformatie in de wetenschap, vergelijkbaar met die van een eeuw geleden.

Eerste publicatie: 18 januari 2024
Bron: space.com & anderen