星系和膨胀的宇宙
爱因斯坦几乎立即应用重力理论的宇宙作为一个整体,在1917年出版他的第一个宇宙纸。因为他没有非常熟悉最近的工作在天文学,他认为宇宙是静态的,不变的。爱因斯坦认为,是宇宙中分布均匀,但他找不到一个静态解他的场方程。问题是,宇宙中所有物质的相互引力会使宇宙的合同。因此,爱因斯坦引入一个额外的术语包含因子Λ,“宇宙学常数”。一个普遍提供的新学期宇宙斥力,在很远的地方行动来抵消重力的影响。当他后来得知宇宙的膨胀,爱因斯坦所描述的宇宙常数是他职业生涯的最大的错误。(但是宇宙学常数爬回晚了20世纪和21世纪的宇宙学。即使爱因斯坦是错的,他经常到深刻的东西。)
爱因斯坦的静态方案代表了宇宙的有限体积但没有边缘,空间曲线本身。因此,一个虚构的旅行者可以在一条直线旅行永远,从不到宇宙的边缘。空间有正曲率,三角形内角加起来超过180°,虽然只会明显过剩足够大小的三角形。(一个好的二维类比是地球的表面。它在面积是有限的,但没有优势。)
在20世纪初,大多数专业天文学家仍然相信银河系可见宇宙本质上是一样的。少数相信一个理论的岛宇宙,螺旋星云是巨大的明星系统、与银河系和分散在空间和巨大空之间的距离。岛宇宙理论的一个理由是,很少看到螺旋面附近的银河系,所谓的隐带。因此,螺旋必须是一个银河系的系统的一部分。但美国天文学家希柯蒂斯指出,一些螺旋可以侧面显然含有大量灰尘的“赤道”飞机。人们也认为银河系有大量的灰尘在整个平面上,这可以解释为什么很多昏暗的螺旋不能看到;可见性只是在低纬度模糊。柯蒂斯1917年还发现三人新星在他的照片螺旋;这些新星的模糊暗示银河系的螺旋在很远的地方。
宇宙的静态角色很快就受到挑战。1912年,在洛厄尔天文台在亚利桑那州,美国天文学家维斯托·m·斯来福已经开始测量吗径向螺旋星云的速度。第一个螺旋,来福检查仙女座星云原来是blueshifted-that,朝着银河系急剧扩张的速度每秒300公里(200英里)的方法,历史上最伟大的速度测量的任何天体对象。到1917年来福径向速度25螺旋,有些高达每秒1000公里(600英里)。物体移动速度等不属于银河系。尽管一些蓝移,绝大多数红移,对应于运动远离银河系。然而,天文学家没有立即得出结论,宇宙在膨胀。相反,因为斯来福的螺旋不均匀分布在天空,天文学家们使用数据试图推断出的速度太阳对螺旋的系统。大多数来福的螺旋是银河系和消退的一边,而另一边的人却不多,而且接近。来福,银河系本身就是一个螺旋,移动更大领域的螺旋。
1917年荷兰数学家威廉德西特显然找到了另一场方程的静态宇宙的解决方案,与爱因斯坦的不同,显示距离和之间的相关性红移。虽然目前还不清楚德西特宇宙的解决方案可以描述,缺乏物质,这并激励天文学家寻找距离和红移之间的关系。1924年瑞典天文学家卡尔Lundmark发表了一经验研究了大约线性关系(尽管有很多分散的)之间的距离和速度的螺旋。困难是在知道准确的距离不够。Lundmark使用新星,已经观测到仙女座星云中建立的距离星云通过假设这些新星将会有相同的平均绝对亮度新星在银河系的距离大约是已知的。那里螺旋,Lundmark调用原油假设那些螺旋必须有相同的直径与仙女座星云和亮度。因此,新星充当标准烛光(也就是说,对象定义亮度),那里螺旋,螺旋本身成为了标准烛光。
在理论方面,从1922年到1924年,俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼研究了非静态的宇宙爱因斯坦方程的解决方案。这些超越爱因斯坦模型通过允许之外的宇宙的扩张或收缩和德西特宇宙的模型,允许包含物质。弗里德曼还介绍了负曲率的宇宙学模型。(在一个反向弯曲空间,三角形的角加起来不到180°)。弗里德曼的解决方案几乎没有直接的影响,部分原因是他的早死在1925年,部分是由于他没有连接与天文观测理论工作。它没有帮助,爱因斯坦发表一份报告声称,弗里德曼1922年的论文包含一个基本错误;爱因斯坦后来撤回了这批评。
宇宙的起源
的发展大爆炸理论
1927年比利时物理学家和神职人员Georges Lemaitre发表了一篇文章,标题下的理论和实证正好在一起“联合国环宇homogene de一起常数et de人造丝羊角面包rendant帐户de la维特斯桡腕骨des nebuleuses extra-galactiques”(“均匀宇宙常数的质量和半径增长,占银河系外的径向速度的星云”)。Lemaitre开始的一项研究动力爱因斯坦模型的解决方案(包括与宇宙常数),也就是那些解决方案与宇宙的半径随时间。他把多普勒变化螺旋星云的宇宙膨胀的证据和使用42星云演绎的红移和距离值的斜率速距图。当时,Lemaitre的论文几乎没有影响,部分原因是它被发表在《默默无闻编年史de la Scientifique法国德布鲁塞尔(“社会科学上布鲁塞尔”),并充分重视只有几年后,当宇宙学家和天文学家已经变得更加开放宇宙扩张的想法。
1929年,弗里德曼的工作基础上,美国数学家和物理学家霍华德·p·罗伯逊总结了最一般时空指标是可能的假设宇宙是均匀(到处都相同的密度)和各向同性空间方向)(此句。(公制的泛化勾股定理描述固有的时空的几何)。类似的结果由英国数学家阿瑟·g·沃克这度量叫做罗伯森沃克指标。罗伯森沃克度量和宇宙的膨胀(发现的星系红移)是20世纪的双重基础宇宙学构造。
美国天文学家埃德温·哈勃是他那个时代最具影响力的观察者。使用100英寸(254厘米)的反射器威尔逊山天文台1923年,哈勃发现了造父变星仙女座星云星。从这个他可以确定更精确的距离星云,使用更好的标准烛光的造父变星。不同的造父变星的亮度在常规和容易辨认的方式,快速增加亮度,后跟一个缓慢下降。1908年,美国天文学家莱维特找到了一个时期和亮度之间的关系:造父变星越亮,越长其周期。Ejnar Hertzsprung和美国天文学家沙普利继续校准的绝对的关系大小。哈勃望远镜可以很容易地测量造父变星的时期。他可以使用校准曲线来确定恒星的绝对星等,或内在亮度,固有亮度与观察到的亮度恒星的距离。这测量不容置疑的仙女座星云是银河系外,是一个星系在自己的权利。进一步的工作由哈勃其他螺旋星云证实了造父变星岛宇宙理论。
当哈勃转向distance-redshift关系的问题,他很快就取代了来福的工作。哈勃在1929年发表了一篇论文显示一个明确的距离和红移之间的线性关系,解释为一个速度。他用来福的速度,但增加了更多的被测量威尔逊山由美国天文学家弥尔顿Humason。距离近的星云被发现通过使用作为标准的造父变星的蜡烛。在长距离哈勃用作标准烛光最亮的单个恒星可以解决(假设这些相同的亮度星系),在长距离,星云本身的光度标准烛光。哈勃的论文导致的快速接受distance-redshift(或distance-velocity)关系的天文数字社区,这种关系被称为“哈勃定律”,尽管如此,正如上面所讨论的,已经好几次的预期。
哈勃自己很谨慎distance-velocity关系隐含什么宇宙的历史,但画自然会得出的结论是,在遥远的过去所有的星系已经接近。distance-velocity关系是线性的,如果星系B是10倍远的星系,这将是后退速度的10倍。同样的道理,如果银河时钟运行向后一开始,A和B都将在同一点(星系B追溯更大的距离更大的速度)。哈勃望远镜的价值的直线的斜率(现在称为velocity-versus-distance图哈勃常数)是每秒500公里(300英里)每百万秒差距(百万秒差距)。(一秒差距大约是3.26光年的距离,地球轨道的半径将对向一个角度一秒)。这个值的哈勃常数,宇宙似乎是大约二十亿岁。
后来的研究表明,这个估计是太年轻了。研究放射性同位素岩石中建议地球必须是45亿年的历史,这将使宇宙比一些年轻的对象。哈勃常数的值已经多次修订。主要修正了1952年,美国天文学家沃尔特Baade发现哈勃严重低估了银河的距离,因为实际上有两种不同的。巴德调整导致哈勃常数的减半。由美国天文学家进一步重大修正艾伦Sandage在1958年把它降到约100公里(60英里)每秒每百万秒差距。Sandage,哈勃观察前助理,表明哈勃所作为一个星系中最亮的恒星是紧集群明亮的星星嵌入式在气体星云。几十年来常数的值范围(根据不同的研究人员)在50 - 100公里每秒每百万秒差距(80 - 160英里)。哈勃常数的目前接受值约为每秒71公里(44英里)每百万秒差距,误差约为5%。宇宙的年龄相关,严格限制了许多类型的观察,大约是137亿年。
一些天文学家提出机制来解释没有接受宇宙的膨胀的红移。1929年,瑞士的天体物理学家弗里茨提出,光子逐渐放弃自己的能源他们旅行的星际物质,通过一个过程类似的来康普顿散射,导致的进步变红光。别人只是建议各种版本的红的光随着距离(集体这些被称为“累光”假说)不打算提供一个物理解释。这些建议没有吩咐大后,在1930年代,天文学家和宇宙学家越来越接受宇宙的膨胀。
广义相对论宇宙学模型和观察到的宇宙的膨胀表明宇宙曾经是非常小的。在1930年代,天文学家开始探索宇宙的进化模型,Georges Lemaitre原始原子的一个很好的例子。根据Lemaitre,宇宙开始作为一个单独的原子拥有一个原子量等于整个宇宙的质量,然后腐烂普通super-radiative过程,直到原子的原子量。
元素丰度的开创性研究恒星是由英国出生美国天文学家塞西莉亚佩恩在1925年她的博士论文。每个元素的数量在一个明星可以推断的优势在恒星的光谱吸收线,如果这些控制温度和压力的明星。在早期出现的一个事实是,明星没有相同的作文地球主要氢和氦。1938年挪威矿物学家维克多Goldschmidt发布一个详细的总结数据宇宙元素的丰度,运行的大部分元素周期表。
虽然可以看到Lemaitre理论”的祖大爆炸”理论,它是1948年由美国物理学家的纸埃尔弗尔拉尔夫和他的论文导师,乔治•伽莫夫,改变了将核的研究的方向物理在宇宙学。作为一个笑话,伽莫夫说物理学家的名字汉斯是为了保护Alpher-Bethe-Gamow(几乎)希腊字母序列。aßγ纸,埃尔弗尔只有一页长,和伽莫夫认为的形成元素(核合成)开始大约20秒之后,宇宙的膨胀的开始。他们认为宇宙开始于一个热致密气的中子,开始腐烂质子和电子。的建立是由于连续的元素中子俘获(和费用的调整ß-decay)。使用最近发表的中子俘获截面值的元素,他们集成他们的方程产生一个图的所有元素的丰度,导致锯齿状的丰度曲线的光滑曲线近似Goldschmidt发表的。
埃尔弗尔在1948年的另一篇论文中,美国物理学家罗伯特·赫尔曼说电磁辐射早期宇宙的应该仍然存在,但随着扩张现在应该对应的温度约为5K(开尔文或−268°C [−451°F]),从而将可见广播望远镜。埃尔弗尔在1953年的一篇论文中,赫尔曼,美国物理学家詹姆斯Follin提供了一个分阶段早期宇宙的历史,认为核合成本质上是完整的宇宙膨胀后30分钟。他们推断,如果年底所有可用的中子核合成了制作氦,当今hydrogen-to-helium比率将7:1 - 10:1的原子的数量。这将符合今天的宇宙是29 - 36%氦重量。(因为一些中子进入建筑其他元素,氦数据将上限)。他们指出,这些数字的顺序hydrogen-to-helium比率衡量的行星状星云恒星大气,虽然这些显示相当大的范围。
Gamow-Alpher理论很大程度上停止发展1953年之后,它未能吸引追随者,尽管他们发表在高度知名期刊和详细,可测试的预测。不幸的是,直到1960年代,hydrogen-to-helium比率就足够精确的测试理论。埃尔弗尔更关键的是,伽莫夫没有兴趣射电天文学家们寻找5 k背景辐射,和他们的预测很快就被遗忘了。