Die Geschichte der Astronomie ist eine Geschichte sich zurückziehender Horizonte.
Edwin Powell Hubble war ein amerikanischer Astronom. Er spielte eine entscheidende Rolle bei der Etablierung der extragalaktischen Astronomie und der Beobachtungskosmologie.
Hubble bewies, dass viele Objekte, die zuvor für Staub- und Gaswolken gehalten wurden und als „Nebel" klassifiziert waren, tatsächlich Galaxien jenseits der Milchstraße waren. Er nutzte die starke direkte Beziehung zwischen der Leuchtkraft einer klassischen Cepheiden-Variablen und ihrer Pulsationsperiode, die 1908 von Henrietta Swan Leavitt entdeckt wurde, um galaktische und extragalaktische Entfernungen zu skalieren.
Hubble lieferte Belege dafür, dass die Rückzugsgeschwindigkeit einer Galaxie mit ihrer Entfernung von der Erde zunimmt, eine Eigenschaft, die heute als „Hubbles Gesetz" bekannt ist, obwohl sie zwei Jahre früher von Georges Lemaître sowohl theoretisch vorgeschlagen als auch beobachtungsmäßig nachgewiesen worden war. Das Hubble-Lemaître-Gesetz impliziert, dass sich das Universum ausdehnt. Eine Dekade zuvor hatte der amerikanische Astronom Vesto Slipher die ersten Belege dafür geliefert, dass das Licht von vielen dieser Nebel stark rotversetzt war, was auf hohe Rückzugsgeschwindigkeiten hindeutete.
Hubbles Name ist am weitesten verbreitet durch das Hubble Space Telescope, das zu seinen Ehren benannt wurde, wobei ein Modell prominent in seiner Heimatstadt Marshfield, Missouri, ausgestellt ist.
Frühen Leben und Ausbildung
Edwin Hubble wurde in Marshfield, Missouri, als Sohn von Virginia Lee Hubble geb. James 1864–1934 und John Powell Hubble, einem Versicherungsmanager, geboren und zog 1900 nach Wheaton, Illinois. In seiner Jugend war er mehr für seine athletischen Fähigkeiten als für seine intellektuellen Fähigkeiten bekannt, obwohl er in jedem Fach außer Rechtschreibung gute Noten erhielt. Edwin war ein begabter Athlet und spielte Baseball, Football und lief Leichtathletik in Gymnasium und College. Er spielte verschiedene Positionen auf dem Basketballplatz vom Center bis zum Shooting Guard. Tatsächlich führte Hubble sogar das Basketballteam der University of Chicago zu ihrem ersten Konferenztitel im Jahr 1907. Er gewann sieben erste Plätze und einen dritten Platz bei einem einzigen Leichtathletik-Wettkampf im Gymnasium im Jahr 1906.
Grundstudium
Hubbles Studium an der University of Chicago konzentrierte sich auf Jura, was bis 1910 zu einem Bachelor of Science führte. Hubble wurde auch Mitglied der Kappa Sigma Bruderschaft. Er verbrachte drei Jahre am The Queen's College, Oxford, nachdem er seinen Bachelor als einer der ersten Rhodes Scholars der Universität verdient hatte, studierte zunächst Rechtswissenschaft statt Naturwissenschaften als Versprechen an seinen sterbenden Vater und fügte später Literatur und Spanisch hinzu, wobei er schließlich seinen Master-Abschluss erhielt.
1909 zog Hubbles Vater seine Familie von Chicago nach Shelbyville, Kentucky, damit die Familie in einer Kleinstadt leben konnte, und ließ sich schließlich in der nahe gelegenen Stadt Louisville nieder. Sein Vater starb im Winter 1913, während Edwin noch in England war. Im folgenden Sommer kehrte Edwin nach Hause zurück, um sich um seine Mutter, zwei Schwestern und seinen jüngeren Bruder sowie seinen Bruder William zu kümmern. Die Familie zog erneut zur Everett Avenue in Louisvilles Highlands-Nachbarschaft, um Edwin und William unterzubringen.
Hubble war auch ein pflichtbewusster Sohn, der trotz seines intensiven Interesses an Astronomie seit seiner Kindheit der Bitte seines Vaters nachgab und Jura studierte, zunächst an der University of Chicago und später in Oxford. In dieser Zeit besuchte er auch einige Mathematik- und Naturwissenschaftskurse. Nach dem Tod seines Vaters 1913 kehrte Edwin aus Oxford in den Mittleren Westen zurück, hatte aber keine Motivation, Jura auszuüben. Stattdessen unterrichtete er Spanisch, Physik und Mathematik an der New Albany High School in New Albany, Indiana, wo er auch das Basketballteam der Jungen trainierte. Nach einem Jahr Gymnasialunterricht trat er mit Hilfe seines ehemaligen Professors von der University of Chicago in das Graduiertenprogramm ein, um Astronomie an der Yerkes Observatory der Universität zu studieren, wo er 1917 seinen Ph.D. erhielt. Seine Dissertation trug den Titel „Photographic Investigations of Faint Nebulae". In Yerkes hatte er Zugang zu einem der mächtigsten Teleskope der Welt zu dieser Zeit, das einen innovativen 24-Zoll-61-cm-Reflektor hatte.
Promotionsstudium
Nachdem die Vereinigten Staaten 1917 Deutschland den Krieg erklärten, beeile sich Hubble, seine Ph.D.-Dissertation abzuschließen, um sich dem Militär anschließen zu können. Hubble meldete sich freiwillig für die United States Army an und wurde der neu geschaffenen 86. Division zugeordnet, wo er im 2. Battalion, 343. Infanterie-Regiment diente. Er beförderte sich zum Rang eines Major und wurde am 9. Juli 1918 für ausländischen Dienst als tauglich befunden, aber die 86. Division sah nie Kampfeinsätze. Nach dem Ende des Ersten Weltkriegs verbrachte Hubble ein Jahr an der Cambridge University, wo er seine Astronomie-Studien erneuerte.
Karriere
1919 wurde Hubble von George Ellery Hale, dem Gründer und Direktor des Observatoriums, eine Mitarbeiterstelle am Mount Wilson Observatory der Carnegie Institution for Science in der Nähe von Pasadena, Kalifornien, angeboten. Hubble blieb bis zu seinem Tod 1953 Mitglied des Stabes am Mount Wilson. Kurz vor seinem Tod wurde Hubble der erste Astronom, der das neu fertiggestellte riesige 200-Zoll-5,1-m-Reflektor Hale Telescope am Palomar Observatory in der Nähe von San Diego, Kalifornien, nutzte.
Hubble arbeitete auch während des Zweiten Weltkriegs als Zivilist für die U.S. Army am Aberdeen Proving Ground in Maryland als Chef des External Ballistics Branch des Ballistics Research Laboratory, während dem er eine große Menge an Forschung in Außenballistik leitete, die die effektive Feuerkraft von Bomben und Geschossen erhöhte. Seine Arbeit wurde durch seine persönliche Entwicklung mehrerer Geräte für die in der Außenballistik verwendete Ausrüstung erleichtert, wobei die herausragendste Entwicklung die Hochgeschwindigkeits-Kamera war, die die Untersuchung der Eigenschaften von Bomben und niedriggeschwindigkeits-Geschossen im Flug ermöglichte. Die Ergebnisse seiner Studien wurden angerechnet, dass sie die Konstruktion, Leistung und Wirksamkeit von Bomben und Raketen stark verbesserten. Für diese Arbeit erhielt er die Medaille of Merit.
Entdeckungen
Das Universum geht über die Milchstraßen-Galaxie hinaus
Edwin Hubbles Ankunft am Mount Wilson Observatory, Kalifornien im Jahr 1919 fiel ungefähr mit der Fertigstellung des 100-Zoll-2,5-m-Hooker-Teleskops zusammen, damals das größte der Welt. Zu dieser Zeit war die vorherrschende Ansicht des Kosmos, dass das Universum vollständig aus der Milchstraße-Galaxie bestand. Mit dem Hooker-Teleskop am Mt. Wilson identifizierte Hubble Cepheiden-Variablen, eine Art von Stern, der als Mittel zur Bestimmung der Entfernung von der Galaxie verwendet wird – siehe auch Standard Candle in mehreren Spiralnebeln, einschließlich des Andromeda-Nebels und des Triangulum. Seine Beobachtungen von 1924 bewiesen zweifelsfrei, dass diese Nebel viel zu weit entfernt waren, um Teil der Milchstraße zu sein, und waren tatsächlich ganze Galaxien außerhalb unserer eigenen, die von Forschern mindestens bereits 1755 vermutet wurden, als Immanuel Kants Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels erschien. Diese Idee war von vielen in der damaligen Astronomie-Establishment abgelehnt worden, insbesondere von dem an der Harvard University ansässigen Harlow Shapley. Trotz des Widerstands wurden Hubbles Ergebnisse, ein damals fünfunddreißig Jahre alter Wissenschaftler, zuerst in der New York Times am 23. November 1924 veröffentlicht, dann am 1. Januar 1925 auf der Tagung der American Astronomical Society anderen Astronomen präsentiert. Hubbles Ergebnisse für Andromeda wurden erst 1929 formal in einer von Fachleuten überprüften wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht.
Hubbles Ergebnisse veränderten grundlegend die wissenschaftliche Ansicht des Universums. Befürworter argumentieren, dass Hubbles Entdeckung von Nebeln außerhalb unserer Galaxie zukünftigen Astronomen den Weg ebnete. Obwohl einige seiner namhaften Kollegen einfach seine Ergebnisse verspotteten, endete Hubble damit, seine Erkenntnisse über Nebel zu veröffentlichen. Diese veröffentlichte Arbeit brachte ihm einen Preis mit dem Titel American Association Prize und fünfhundert Dollar von Burton E. Livingston des Committee on Awards ein.
Hubble entwickelte auch das am häufigsten verwendete System zur Klassifizierung von Galaxien, indem er sie nach ihrem Aussehen auf Fotografien gruppierte. Er ordnete die verschiedenen Gruppen von Galaxien an, was als Hubble-Sequenz bekannt wurde.
Rotverschiebung nimmt mit Entfernung zu
Hubble fuhr fort, die Entfernungen zu 24 extragalaktischen Nebeln unter Verwendung verschiedener Methoden zu schätzen. 1929 untersuchte Hubble die Beziehung zwischen diesen Entfernungen und ihren Radialgeschwindigkeiten, wie sie durch ihre Rotverschiebungen bestimmt wurden. Seine geschätzten Entfernungen sind jetzt bekannt, alle zu klein zu sein, um bis zu einen Faktor von etwa 7. Dies war auf Faktoren wie die Tatsache zurückzuführen, dass es zwei Arten von Cepheiden-Variablen gibt oder helle Gaswolken mit hellen Sternen verwechselt werden. Jedoch waren seine Entfernungen mehr oder weniger proportional zu den wahren Entfernungen, und indem er seine Entfernungen mit Messungen der Rotverschiebungen der Galaxien durch Vesto Slipher und seinen Assistenten Milton L. Humason kombinierte, fand er eine grob lineare Beziehung zwischen den Entfernungen der Galaxien und ihren um Sonnenbewegung korrigierten Radialgeschwindigkeiten, eine Entdeckung, die später als Hubbles Gesetz bekannt wurde.
Dies bedeutete, je größer die Entfernung zwischen zwei beliebigen Galaxien ist, desto größer ist ihre relative Trenngeschwindigkeit. Wenn auf diese Weise interpretiert, führten Hubbles Messungen an 46 Galaxien zu einem Wert für die Hubble-Konstante von 500 km/s/Mpc, was viel höher ist als die derzeit akzeptierten Werte von 74 km/s/Mpc Kosmische Entfernungsleiter-Methode oder 68 km/s/Mpc CMB-Methode aufgrund von Fehlern in ihren Entfernungskalibrierungen.
Doch der Grund für die Rotverschiebung blieb unklar. Georges Lemaître, ein belgischer katholischer Priester und Physiker, sagte auf theoretischer Grundlage basierend auf Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie die Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation voraus und veröffentlichte zwei Jahre vor der Entdeckung von Hubbles Gesetz eine beobachtungsmäßige Unterstützung dafür. Viele Kosmologen und Astronomen, einschließlich Hubble selbst, erkannten jedoch die Arbeit von Lemaître nicht an; Hubble blieb sein ganzes Leben lang zweifelhaft gegenüber der Interpretation von Lemaître. Obwohl er in seinem Papier die Begriffe „Geschwindigkeiten" und „scheinbare Radialgeschwindigkeiten" in der Einleitung verwendete, drückte er später Zweifel daran aus, diese als echte Geschwindigkeiten zu interpretieren. 1931 schrieb er einen Brief an den niederländischen Kosmologen Willem de Sitter, in dem er seine Meinung zur theoretischen Interpretation der Rotverschiebungs-Entfernungs-Relation ausdrückte:
Mr. Humason und ich sind beide tief sensibel für Ihre gnädige Würdigung der Arbeiten über Geschwindigkeiten und Entfernungen von Nebeln. Wir verwenden den Begriff „scheinbare" Geschwindigkeiten, um die empirischen Merkmale der Korrelation zu betonen. Die Interpretation sollte unserer Meinung nach Ihnen und den sehr wenigen anderen überlassen werden, die Autorität haben, die Angelegenheit zu diskutieren.
Heute werden die „scheinbaren Geschwindigkeiten" in Frage normalerweise als eine Zunahme der angemessenen Entfernung gedacht, die aufgrund der Expansion des Universums auftritt. Licht, das sich durch eine expandierende Metrik bewegt, erfährt eine Hubble-ähnliche Rotverschiebung, einen Mechanismus, der sich etwas vom Doppler-Effekt unterscheidet, obwohl die beiden Mechanismen äquivalente Beschreibungen werden, die durch eine Koordinatentransformation für nahe Galaxien miteinander verbunden sind.
In den 1930er Jahren war Hubble an der Bestimmung der Verteilung von Galaxien und der räumlichen Krümmung beteiligt. Diese Daten deuteten darauf hin, dass das Universum flach und homogen war, aber es gab eine Abweichung von der Flachheit bei großen Rotverschiebungen. Laut Allan Sandage,
Hubble glaubte, dass seine Zähldaten ein vernünftigeres Ergebnis bezüglich der räumlichen Krümmung lieferten, wenn die Rotverschiebungskorrektur unter der Annahme keine Rezession durchgeführt wurde. Bis zum Ende seiner Schriften behielt er diese Position bei, bevorzugte (oder hielt zumindest offen) das Modell, in dem keine echte Expansion existiert, und daher die Rotverschiebung „ein bisher unerkanntes Naturprinzip darstellt".
Es gab methodologische Probleme mit Hubbles Umfragetechnik, die eine Abweichung von der Flachheit bei großen Rotverschiebungen zeigten. Insbesondere berücksichtigte die Technik keine Veränderungen in der Leuchtkraft von Galaxien aufgrund von Galaxien-Evolution. Früher hatte Albert Einstein 1917 festgestellt, dass seine neu entwickelte Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie darauf hindeutete, dass sich das Universum entweder ausdehnen oder zusammenziehen muss. Unfähig zu glauben, was seine eigenen Gleichungen ihm sagten, führte Einstein eine kosmologische Konstante ein, einen „Fehlerfaktor" in die Gleichungen ein, um dieses „Problem" zu vermeiden. Als Einstein von Hubbles Rotverschiebungen erfuhr, erkannte er sofort, dass die durch die Allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagte Expansion real sein muss, und später in seinem Leben sagte er, dass die Änderung seiner Gleichungen „der größte Fehler meines Lebens" war. Tatsächlich besuchte Einstein Hubble anscheinend einmal und versuchte, ihn davon zu überzeugen, dass sich das Universum ausdehnt.
Hubble entdeckte auch den Asteroiden 1373 Cincinnati am 30. August 1935. 1936 schrieb er „The Observational Approach to Cosmology" und „The Realm of the Nebulae", die seine Ansätze zur extragalaktischen Astronomie und seine Sicht auf die Geschichte des Fachs erklärten.
Im Dezember 1941 berichtete Hubble der American Association for the Advancement of Science, dass die Ergebnisse einer sechsjährigen Umfrage mit dem Mt. Wilson-Teleskop
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