Edwin Hubble

천문학의 역사는 끊임없이 후퇴하는 지평선의 역사이다.

Edwin Powell Hubble은 미국의 천문학자였다. 그는 은하외 천문학과 관측 우주론 분야의 확립에 결정적인 역할을 했다.

Hubble은 이전에 먼지와 가스의 구름으로 생각되었고 "성운"으로 분류되었던 많은 천체들이 실제로는 은하수를 넘어선 은하라는 것을 증명했다. 그는 1908년 Henrietta Swan Leavitt에 의해 발견된 고전적인 세페이드 변광성의 광도와 맥동 주기 사이의 강한 직접적 관계를 은하 및 은하외 거리 측정에 이용했다.

Hubble은 은하의 퇴행 속도가 지구로부터의 거리가 증가함에 따라 증가한다는 증거를 제시했으며, 이는 현재 "Hubble의 법칙"으로 알려져 있다. 그러나 이것은 2년 전에 Georges Lemaître에 의해 이미 제안되고 관측적으로 입증되었다. Hubble–Lemaître 법칙은 우주가 팽창하고 있음을 시사한다. 10년 전, 미국 천문학자 Vesto Slipher는 이러한 성운들의 많은 것에서 나오는 빛이 강하게 적색편이되었다는 첫 번째 증거를 제공했으며, 이는 높은 퇴행 속도를 나타낸다.

Hubble의 이름은 Hubble 우주 망원경으로 가장 널리 알려져 있으며, 이 망원경은 그를 기리기 위해 명명되었고, 그의 고향인 Missouri의 Marshfield에 모형이 전시되어 있다.

초기 생활과 교육

Edwin Hubble은 Virginia Lee Hubble (구성 James) 1864–1934와 보험 임원인 John Powell Hubble의 아들로 Missouri의 Marshfield에서 태어났으며, 1900년 Illinois의 Wheaton으로 이주했다. 어린 시절에 그는 지적 능력보다는 운동 능력으로 더 유명했지만, 철자를 제외한 모든 과목에서 좋은 성적을 얻었다. Edwin은 재능 있는 운동선수로서 고등학교와 대학에서 야구, 미식축구, 육상을 했다. 그는 센터에서 슈팅 가드까지 농구 코트의 다양한 포지션을 했다. 실제로 Hubble은 1907년 Chicago 대학교의 농구팀을 그들의 첫 번째 컨퍼런스 우승으로 이끌었다. 그는 1906년 하나의 고등학교 육상경기대회에서 1등상 7개와 3등상 1개를 얻었다.

대학 학부 과정

Chicago 대학교에서의 Hubble의 학업은 법학에 집중했으며, 1910년까지 과학 학사 학위로 이어졌다. Hubble은 또한 Kappa Sigma 형제회의 회원이 되었다. 그는 학사 학위를 취득한 후 Oxford의 Queen's College에서 3년을 보냈으며, 대학의 첫 번째 Rhodes 장학생 중 한 명으로서 처음에는 죽어가는 아버지와의 약속으로 인해 과학 대신 법학을 공부했고, 나중에 문학과 스페인어를 추가로 공부하여 결국 석사 학위를 취득했다.

1909년 Hubble의 아버지는 가족이 작은 마을에서 살 수 있도록 Chicago에서 Kentucky의 Shelbyville로 가족을 이주시켰으며, 궁극적으로 인근의 Louisville에 정착했다. 그의 아버지는 1913년 겨울에 돌아가셨으며, Edwin은 여전히 England에 있었다. 다음 여름, Edwin은 어머니, 두 자매, 그리고 남동생과 함께 자신의 형 William과 함께 돌보기 위해 집으로 돌아왔다. 가족은 Louisville의 Highlands 동네에 있는 Everett Avenue로 한 번 더 이주했으며, Edwin과 William을 수용하기 위한 것이었다.

Hubble은 또한 충실한 아들로서, 어린 시절부터 천문학에 대한 강렬한 관심에도 불구하고 아버지의 요청에 따라 먼저 Chicago 대학교에서, 나중에는 Oxford에서 법학을 공부했다. 이 기간에 그는 또한 수학 및 과학 과정을 수강했다. 1913년 아버지가 돌아가신 후, Edwin은 Oxford에서 Midwest로 돌아왔지만 법을 실천할 동기가 없었다. 대신, 그는 Indiana의 New Albany에 있는 New Albany 고등학교에서 스페인어, 물리학 및 수학을 가르쳤고, 또한 남학생 농구팀을 코치했다. 1년의 고등학교 교육 후, 그는 Chicago 대학교의 전직 교수의 도움으로 대학의 Yerkes 천문대에서 천문학을 공부하기 위해 대학원에 들어갔고, 1917년 박사 학위를 받았다. 그의 논문은 "희미한 성운의 사진 조사"라는 제목이었다. Yerkes에서 그는 당시 세계에서 가장 강력한 망원경 중 하나에 접근할 수 있었으며, 혁신적인 24인치 61 cm 반사경을 가지고 있었다.

박사 과정

1917년 미국이 Germany에 선전포고했을 때, Hubble은 군대에 입대할 수 있도록 박사 학위 논문을 빨리 완성하기 위해 서두렀다. Hubble은 미합중국 육군에 자원입대했고 새로 창설된 86사단에 배정되었으며, 2대대 343 보병연대에서 복무했다. 그는 소령 계급으로 승진했으며, 1918년 7월 9일 해외 근무에 적합한 것으로 판정받았지만, 86사단은 전투를 보지 못했다. 제1차 세계대전이 끝난 후, Hubble은 Cambridge 대학교에서 1년을 보냈으며, 그곳에서 천문학 연구를 다시 시작했다.

경력

1919년, Hubble은 천문대의 설립자이자 이사인 George Ellery Hale에 의해 California의 Pasadena 근처에 있는 Carnegie Institution for Science의 Mount Wilson 천문대의 직원 직위를 제안받았다. Hubble은 1953년 사망할 때까지 Mount Wilson에서 직원으로 재직했다. 사망하기 직전, Hubble은 California의 San Diego 근처 Palomar 천문대에서 새로 완성된 거대한 200인치 5.1 m 반사경 Hale 망원경을 사용한 첫 번째 천문학자가 되었다.

Hubble은 또한 제2차 세계대전 중 Maryland의 Aberdeen Proving Ground에서 미군을 위한 민간인으로 근무했으며, 탄도 연구소의 외부 탄도 분과의 장으로서 외부 탄도학에서 대규모의 연구를 지휘했으며, 이는 폭탄과 발사체의 유효 화력을 증가시켰다. 그의 업무는 외부 탄도학에 사용되는 계측기를 위한 여러 장비 항목의 개인적 개발으로 촉진되었으며, 가장 뛰어난 개발은 고속 시계 카메라로서, 비행 중인 폭탄과 저속 발사체의 특성을 연구하는 것을 가능하게 했다. 그의 연구 결과는 폭탄과 로켓의 설계, 성능 및 군사 효율성을 크게 개선한 것으로 인정받았다. 그의 업무에 대해 그는 명예 훈장상을 받았다.

발견

우주는 은하수 너머로 확장된다

Edwin Hubble이 1919년 California의 Mount Wilson 천문대에 도착한 것은 당시 세계에서 가장 큰 100인치 2.5 m Hooker 망원경의 완성과 대략적으로 일치했다. 그 당시 우주에 대한 지배적인 견해는 우주가 은하수 은하로만 구성되어 있다는 것이었다. Mount Wilson의 Hooker 망원경을 사용하여, Hubble은 Andromeda 성운 및 Triangulum을 포함한 여러 나선형 성운에서 세페이드 변광성(은하의 거리를 결정하는 수단으로 사용되는 별의 한 종류 – 표준촉 참조)을 확인했다. 1924년에 만들어진 그의 관측은 이러한 성운들이 은하수의 일부가 되기에는 너무 멀리 떨어져 있었고 실제로는 우리 자신의 것을 벗어난 전체 은하였다는 것을 결정적으로 증명했으며, 이는 1755년 Immanuel Kant의 "일반 자연사 및 천체론"이 나타난 이후로 연구자들에 의해 최소한 의심되었다. 이러한 생각은 당시 천문학 기관의 많은 사람들, 특히 Harvard 대학교 기반의 Harlow Shapley에 의해 반대되었다. 반대에도 불구하고, 당시 35세의 과학자인 Hubble은 1924년 11월 23일 The New York Times에 처음 발표되었으며, 1925년 1월 1일 미국 천문 학회 회의에서 다른 천문학자들에게 발표했다. Andromeda에 대한 Hubble의 결과는 1929년까지 동료 심사를 받은 과학 저널에 공식적으로 출판되지 않았다.

Hubble의 발견은 우주에 대한 과학적 견해를 근본적으로 바꾸었다. 지지자들은 Hubble의 우리 은하 외부의 성운 발견이 미래 천문학자들의 길을 닦는 데 도움이 되었다고 말한다. 그의 동료 중 일부는 단순히 그의 결과를 비웃었지만, Hubble은 결국 성운에 관한 그의 발견을 발표했다. 이 발표된 논문은 그에게 미국 협회상이라는 상과 위원회의 Burton E. Livingston으로부터 500달러를 받았다.

Hubble은 또한 은하를 분류하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 시스템을 고안했으며, 사진 이미지에서의 외모에 따라 은하를 그룹화했다. 그는 여러 은하 그룹을 Hubble 수열로 알려지게 된 배열로 배열했다.

적색편이가 거리에 따라 증가한다

Hubble은 다양한 방법을 사용하여 24개의 은하외 성운까지의 거리를 추정했다. 1929년 Hubble은 이러한 거리와 그들의 적색편이로부터 결정된 방사 속도 사이의 관계를 검토했다. 그의 추정 거리는 약 7배 인수까지 모두 너무 작은 것으로 알려져 있다. 이는 세페이드 변광성의 두 종류가 있다는 사실이나 밝은 가스 구름을 밝은 별과 혼동하는 것과 같은 요인 때문이었다. 그러나 그의 거리는 더 많거나 적게 실제 거리에 비례했으며, 그의 거리를 Vesto Slipher와 그의 보조원 Milton L. Humason의 은하의 적색편이 측정과 결합하여, 그는 은하의 거리와 태양 운동에 대해 수정된 그들의 방사 속도 사이의 대략적으로 선형의 관계를 발견했으며, 이 발견은 나중에 Hubble의 법칙으로 알려졌다.

이는 두 은하 사이의 거리가 클수록 그들의 상대적 분리 속도가 더 크다는 것을 의미했다. 그런 식으로 해석되면, 46개의 은하에 대한 Hubble의 측정은 Hubble 상수의 값이 500 km/s/Mpc가 되었으며, 이는 거리 캘리브레이션의 오류로 인해 74 km/s/Mpc 우주 거리 사다리 방법 또는 68 km/s/Mpc CMB 방법의 현재 수용된 값보다 훨씬 높다.

그런데도 적색편이의 이유는 불명확했다. Belgian의 가톨릭 사제이자 물리학자인 Georges Lemaître는 Einstein의 일반 상대성 이론 방정식에 기반한 이론적 근거에 따라 적색편이-거리 관계를 예측했으며, Hubble의 법칙 발견 2년 전에 그것에 대한 관측 지원을 발표했다. 그러나 Hubble 자신을 포함한 많은 우주론자와 천문학자들은 Lemaître의 작업을 인식하지 못했다; Hubble은 평생 동안 Lemaître의 해석에 대해 의심을 유지했다. 그는 그의 논문에서 "속도" 용어와 소개부에서 "명백한 방사 속도"를 사용했지만, 나중에 이를 실제 속도로 해석하는 것에 대해 의심을 표현했다. 1931년 그는 Dutch 우주론자 Willem de Sitter에게 적색편이-거리 관계의 이론적 해석에 대한 자신의 의견을 표현하는 편지를 썼다:

Humason씨와 저는 성운의 속도와 거리에 관한 논문에 대한 당신의 우아한 감사에 대해 깊이 인식하고 있습니다. 우리는 경험적 특징을 강조하기 위해 "명백한" 속도라는 용어를 사용합니다. 해석은 당신과 이 문제를 권위 있게 논의할 수 있는 매우 소수의 사람들에게 맡겨져야 한다고 생각합니다.

오늘날, 문제의 "명백한 속도"는 보통 우주의 팽창으로 인해 발생하는 적절한 거리의 증가로 생각된다. 확장 중인 메트릭을 통해 이동하는 빛은 Hubble 유형의 적색편이를 경험할 것이며, 이는 근처 은하에 대한 좌표 변환과 관련된 동등한 설명이 되어도 Doppler 효과와는 다른 메커니즘이다.

1930년대에 Hubble은 은하의 분포와 공간 곡률을 결정하는 데 관여했다. 이 데이터는 우주가 평면이고 균질하다는 것을 나타내는 것 같았지만, 큰 적색편이에서 평면성으로부터의 편차가 있었다. Allan Sandage에 따르면,

Hubble은 그의 개수 데이터가 후퇴가 없다고 가정하는 적색편이 보정이 이루어지면 공간 곡률에 대한 더 합리적인 결과를 주었다고 믿었다. 그의 글의 매우 끝까지, 그는 이 입장을 유지했으며, 실제 팽창이 없는 모델을 선호하거나(또는 최소한 열린) 유지했으며, 따라서 적색편이는 "자연의 이전까지 인식되지 않은 원리를 나타낸다.

Hubble의 조사 기술에는 큰 적색편이에서 평면성으로부터의 편차를 보여주는 방법론적 문제들이 있었다. 특히, 기술은 은하 진화로 인한 은하의 광도 변화를 고려하지 않았다. 더 일찍, 1917년에 Albert Einstein은 그의 새로 개발된 일반 상대성 이론이 우주가 팽창하거나 수축해야 한다는 것을 나타냈다는 것을 발견했다. 자신의 방정식이 그에게 무엇을 말하고 있는지 믿을 수 없어, Einstein은 이러한 "문제"를 피하기 위해 방정식에 우주 상수 "보정 계수"를 도입했다. Einstein이 Hubble의 적색편이를 알게 되었을 때, 그는 일반 상대성 이론으로 예측된 팽창이 실제여야 한다는 것을 즉시 깨달았으며, 그의 말년에 그는 자신의 방정식을 변경하는 것이 "인생의 가장 큰 실수"라고 말했