Stor tvist

Den stora debatten är en diskussion i astronomins historia som ägde rum 1920. Den stora debatten handlade om parametrarna för vår galax och naturen hos "spiralnebulosorna" som nu kallas spiralgalaxer . Den presenterade Harlow Shapley och Geber Curtis .

Det fanns många avvikelser mellan Shapley och Curtis, bilderna av den allmänna synen på universum i modellerna av Shapley och Curtis var annorlunda. I Shapleys modell hade vår galax en stor storlek, solen togs bort från dess centrum och spiralnebulosorna fanns inuti den och var bara gasmoln, medan Shapley inte uteslöt att andra galaxer kunde existera bortom synligheten av moderna instrument. I Curtis modell var solen i centrum av en relativt liten galax, och spiralnebulosorna var stjärnsystem som vår galax.

Båda deltagarna i den stora tvisten visade sig ha delvis rätt. Så i frågor om storleken på galaxen och solsystemets position i den visade sig Shapley vara närmare sanningen, och i frågor som rör spiralnebulosor hade Curtis rätt. Efterföljande mer exakta mätningar av vår galax visade att dess diameter är 30 kiloparsecs, och solen är på ett avstånd av 8 kiloparsecs från dess centrum. Spiralnebulosor visade sig vara avlägsna stjärnsystem som liknar vår galax.

Bakgrund och omständigheter

I början av 1900-talet var den vanliga missuppfattningen att solen var vid eller nära Vintergatans mitt . Olika astronomer, som började med William Herschel , använde metoden för stjärnräkning och fick ett sådant resultat på grund av interstellär absorption av ljus , vilket skapade illusionen av den största koncentrationen av stjärnor nära solen. Storleken på galaxen, till exempel, enligt resultaten från 1910 av Karl Schwarzschild , var 10 kiloparsecs . År 1917 bestämde Harlow Shapley , som mätte avstånden till klotformade stjärnhopar och undersökte deras fördelning på himlen, storleken på galaxen som 100 kiloparsecs och avståndet från solen till dess centrum som 13 kiloparsecs. Även om båda dessa värden visade sig vara överskattade, var Shapley den första som visade att solen är långt från mitten av vår galax [1] [2] , men denna idé blev inte omedelbart allmänt accepterad [3] . Därefter förfinade Shapley sin uppskattning [4] .

Dessutom var det vid den tiden ännu inte känt om "spiralnebulosorna", nu kända som spiralgalaxer , var föremål i vår galax eller om de var avlägsna stjärnsystem. Hypotesen att vissa nebulosor är avlägsna stjärnsystem dök upp redan på 1700-talet, och astronomernas allmänna uppfattning om denna fråga har förändrats många gånger: det fanns praktiskt taget inga uppgifter om avståndet till nebulosor [3] [5] .

1919 bestämde sig George Ellery Hale för att organisera en diskussion om universums storlek. Det ägde rum den 26 april 1920 vid US National Academy of Sciences i Washington . Talarna vid det var astronomerna Harlow Shapley från Mount Wilson Observatory och Geber Curtis från Lick Observatory : var och en av dem höll en föreläsning där han uttryckte sin syn på universums storlek och parametrarna för vår galax. Diskussionen kallades The Scale of the Universe , men senare tilldelades den namnet Great Debate [  4 ] [ 6] [7] .

Diskuterade frågor och parternas argument

Shapley och Curtis var oense om många separata frågor relaterade till storleken på vår galax och positionen för solsystemet i den , såväl som om " spiralnebulosor " tillhör vår galax eller är separata objekt. Som ett resultat skilde sig bilderna av universums allmänna utseende i modellerna av Shapley och Curtis markant. I Shapley-modellen hade vår galax en ganska stor storlek - minst 60 kiloparsecs, och solen var 20 kiloparsecs bort från dess centrum. Spiralnebulosor var belägna inuti vår galax och var bara gasmoln, medan Shapley inte uteslöt att andra galaxer kunde existera bortom synligheten för moderna instrument [8] . I Curtis modell var solen i mitten av en relativt liten 10 kiloparsec galax, och spiralnebulosorna var stjärnsystem som liknade vår galax [4] [9] .

Dimensions of the Galaxy

Cepheider som avståndsindikatorer

För att mäta avståndet till klotformade stjärnhopar använde Shapley beroendeperioden-luminositet för cefeider , som hittats från observationer av stjärnor av denna typ i de magellanska molnen . Nollpunkten för detta beroende Shapley bestäms av Cepheiderna i Vintergatans skiva, avståndet till vilket han mätte med årliga parallaxer . Han observerade också att "cepheiderna av globulära kluster", nu kända som RR Lyrae-variabler , inte borde användas för nollpunktskalibrering. Curtis trodde att beroendet av perioden och ljusstyrkan för Cepheiderna i vår galax åtminstone inte var bevisat, eftersom för lite data hade samlats in [4] .

Shapley visade sig ha rätt i att cepheider är bra indikatorer på avstånd i allmänhet, och förhållandet mellan period och ljusstyrka för dem i Vintergatan visade sig senare. Nollpunkten valdes dock felaktigt, med ett fel på ungefär en storleksordning, vilket ledde till en trefaldig överskattning av galaxens storlek [1] . Curtis hade rätt om bristen på data [4] .

Stjärnor i klotformiga hopar

Shapley trodde att stjärnorna av spektraltyperna F , G och K , som han observerade i klotformade stjärnhopar, liknar jättestjärnor som observerats i närheten av solen, och den absoluta magnituden för de ljusstarkaste stjärnorna i hopar är i genomsnitt från -1,5 till − 2 m . _ Dessa magnituder överensstämde med typiska klusteravstånd på 10-30 kiloparsecs . Shapley gav flera argument: sådana stjärnor är jämförbara med stjärnor i spektralklass B i ljusstyrka, och följaktligen i ljusstyrka - den absoluta magnituden för den senare var känd och nära 0 m . Dessutom var spektra för F–K-klassstjärnor i kluster nära spektra för jättestjärnor. Shapley påpekade också att i andra stjärnsystem är ljusstyrkan för de ljusaste stjärnorna ungefär densamma som i hans uppskattning för klothopar [8] . Dessutom förlitade Shapley sig på den tidens idéer om utvecklingen av stjärnor , enligt vilka jättestjärnor först drar ihop sig och värms upp, blir dvärgstjärnor och börjar svalna, så att parametrarna för jättestjärnor bestämdes. Shapley hävdade att endast stora avstånd till klothopar var förenliga med denna teori [4] [7] [10] .

Curtis hävdade att stjärnorna i dessa spektralklasser hade en ljusstyrka som var jämförbar med den för dvärgstjärnor nära solen. I det här fallet skulle avstånden till klustren vara 1–2 kiloparsek. Curtis hävdade detta med det faktum att i närheten av solen var den absoluta stjärnmagnituden för stjärnor i F–K-klassen i genomsnitt +4 m och noterade att andelen jättestjärnor bland alla stjärnor är mycket liten. Dessutom påpekade Curtis en diskrepans i Shapleys argument: i närheten av solen var de ljusaste blå stjärnorna ljusare än de klarast röda, och i kluster var situationen enligt Shapley den motsatta [4] [7] [8] .

I allmänhet visade sig Shapley ha rätt här: med den tidens observationsteknologi var det omöjligt att se dvärgstjärnor i kluster. Curtis anmärkning om blåa och röda stjärnors ljusstyrka var dock korrekt, och hittade en förklaring först efter att Walter Baade upptäckte existensen av två stjärnpopulationer . Dessutom förkastas nu idéer om stjärnors utveckling, som Shapley förlitade sig på [4] .

Mäta avstånd från stjärnornas spektra

Shapley trodde att stjärnornas ljusstyrka kan uppskattas utifrån formen på deras spektra, och mät därför avstånden till dem. Curtis hävdade att denna metod endast kan användas för stjärnor på avstånd mindre än 100 parsecs, där de kalibrerades. På denna punkt hade Shapley generellt rätt [4] .

Stjärnräkningsmetod

Curtis hävdade att resultaten av tillämpningen av metoden för stjärnräkningar direkt indikerar den lilla storleken på vår galax. Han trodde att interstellär absorption inte förvrängde dessa resultat på något sätt, eftersom dammet i galaxen enligt hans åsikt låg utanför stjärnskivan. Shapley kommenterade inte denna fråga, eftersom hans metod för att mäta avstånd var förknippad med klothopar, men han trodde att interstellär utrotning inte existerade alls, eller att den var försumbar. Faktum är att interstellär absorption också finns i skivan, vilket bekräftades av Robert Julius Trumpler 1930 [2] [4] .

Avstånd till spiralnebulosor

Nya stjärnor

På grundval av observationer av nya stjärnor i Vintergatan och i spiralnebulosor, hävdade Shapley att de senare inte kan vara utanför vår galax, eftersom ljusstyrkan hos nya stjärnor i dem vid den observerade ljusstyrkan skulle vara för hög. Curtis föreslog att novaer kunde delas in i två typer med olika ljusstyrka: han noterade att vissa "novaer" var betydligt ljusare än andra, som nova Tycho Brahe jämfört med andra novaer i vår galax, eller S Andromedae jämfört med andra. Andromedagalaxen , så att hitta spiralnebulosor utanför vår galax skulle bli möjligt. Curtis visade sig ha rätt: den klass av objekt som han märkte som ljusare nya stjärnor är nu kända som supernovor [4] .

Shapley föreslog också en felaktig mekanism för nova-utbrott: han trodde att utbrott av nya stjärnor uppstår när en stjärna går in i en nebulosa och omges av sin materia. Shapley visade att en sådan modell förklarar flera utbrott av nya stjärnor per år i galaxen, men Curtis motbevisade denna teori och visade att i Shapleys modell i Andromedagalaxen, på grund av en sådan mekanism, kunde nya stjärnor blossa upp vart 500:e år, medan flera sådana utbrott redan har upptäckts i 20 år [4] .

Fördelning av spiralnebulosor på himlen

Båda deltagarna i diskussionen visste att spiralnebulosor inte observeras nära galaxens plan . I Shapleys modell, som antog att spiralnebulosor finns i vår galax, var detta inget problem: deras frånvaro i galaxens plan väckte inte fler frågor än till exempel koncentrationen av OB-stjärnor i detta plan . Curtis modell föreslog att spiralnebulosor var externa föremål, så deras undvikande av det galaktiska planet krävde en förklaring. Curtis trodde själv att detta kunde orsakas av närvaron av damm runt Vintergatans skiva, som absorberar ljus. Denna förklaring visade sig vara korrekt, även om dammet i verkligheten inte omger galaxens skiva, utan ligger i den [4] .

Höga radiella hastigheter hos spiralnebulosor

Vid tiden för den stora debatten var det känt att spiralnebulosor har mycket höga radiella hastigheter , mycket högre än stjärnornas radiella hastigheter. Shapley, inom ramen för sin modell, förklarade dem med strålningstrycket från Vintergatan, men det visades senare att strålningstrycket var helt otillräckligt för att sprida nebulosorna till sådana hastigheter. Curtis erbjöd inte en specifik mekanism i sin modell, utan antog bara att höga radiella hastigheter är en inneboende egenskap hos nebulosor. Senare visades det att galaxernas radiella hastigheter beror på universums expansion [3] [4] .

Parametrar för spiralnebulosor

Shapley noterade att fördelningen av ytljusstyrka och färgindex i spiralnebulosor skiljer sig från den i Vintergatan, och ytljusstyrkan i mitten av nebulosorna är mycket högre än vid någon punkt i Vintergatan. Denna observation var korrekt, men Shapley, som ignorerade interstellär utrotning, tolkade det felaktigt som bevis på att spiralnebulosor inte kunde vara som Vintergatan [8] . Curtis kommenterade inte detta argument, men påpekade samtidigt att spiralnebulosornas spektra och färgindex liknar de för stjärnhopar. Av detta drog han korrekt slutsatsen att spiralnebulosor kunde vara större hopar av stjärnor. Curtis noterade också korrekt att "spiralnebulosor" inte passar in i teorin om stjärnutveckling på något sätt, och kan inte vara vare sig dess initiala skede eller slutresultatet [4] .

Observerad rotation av spiralnebulosor

Shapley hänvisade till resultaten av Adrian van Maanen , som påstod sig ha observerat rotationen av spiralnebulosor. Med tanke på storleken på den riktiga rörelsen av nebulosektionerna som van Maanen hävdade, skulle ett stort avstånd till dem motsvara linjära hastigheter som överstiger ljusets hastighet , så Shapley drog slutsatsen att nebulosorna är belägna inuti galaxen. Curtis litade inte på uppgifterna och sa att det inte var möjligt att exakt mäta den korrekta rörelsen för diffusa föremål på mindre än 0,1 bågsekunder per år under mindre än 25 års observationer. Faktum är att den upptäckta rotationen av galaxerna visade sig vara felaktig, och Shapley erkände därefter att han trodde på van Maanen på grund av deras vänskap [3] [4] .

Solens position i galaxen

Shapley hävdade att centrum av galaxen sammanfaller med mitten av dess system av klotformade stjärnhopar - av detta följde att solsystemet är på ett avsevärt avstånd från centrum av galaxen. Samtidigt trodde Shapley att solen är i mitten av ett litet "moln" av stjärnor i galaxen, vilket skapar illusionen att solen är i mitten av hela galaxen. Curtis, å andra sidan, trodde att solen var i centrum av galaxen och antog att det var just på grund av denna position i Vintergatan som det inte var möjligt att se spiralarmar , vars existens Curtis inte uteslöt , även om han inte kunde bekräfta. I denna fråga visade sig Shapley ha rätt, även om han inte tog hänsyn till påverkan av interstellär utrotning [4] [8] .

Resultat och konsekvenser

Båda deltagarna i den stora debatten visade sig ha delvis rätt, men direkt efter att den var slut trodde var och en att han var vinnaren i diskussionen. Så i frågor om storleken på galaxen och solsystemets position i den visade sig Shapley vara närmare sanningen, och i frågor som rör spiralnebulosor hade Curtis rätt. Efterföljande mer exakta mätningar av vår galax visade att dess diameter är 30 kiloparsecs, och solen är på ett avstånd av 8 kiloparsecs från dess centrum. Spiralnebulosor visade sig vara avlägsna stjärnsystem som liknar vår egen galax - de är nu kända som spiralgalaxer [4] [11] .

Strax efter den stora debatten var astronomerna i princip överens om att solen inte var i centrum av galaxen. Frågan om spiralnebulosornas natur löstes 1925, när Edwin Hubble läste en rapport om resultaten av observationer av cepheider i spiralnebulosor. Till exempel var avståndet till M 33 , enligt Hubbles uppskattning, 285 kiloparsek, vilket betydligt översteg Galaxys storlek även enligt Shapleys överskattade uppskattning. Med hänsyn till nebulosornas vinkelstorlekar blev det klart att de linjära storlekarna på dessa objekt är jämförbara med storlekarna på vår galax [4] [5] .

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Waller W. H. Vintergatan: En insiders guide . - Princeton: PUP , 2013. - S. 36-52. — 316 sid. - ISBN 978-0-691-12224-3 . Arkiverad 21 januari 2022 på Wayback Machine
  2. ↑ 1 2 Surdin V. G. Galaxer. — 2:a, rättad och kompletterad. - M. : Fizmatlit , 2017. - S. 119-125. — 432 sid. — ISBN 978-5-9221-1726-5 .
  3. ↑ 1 2 3 4 Smith RW Beyond the Galaxy: utvecklingen av extragalaktisk astronomi 1885-1965 Del 1  //  Journal for the History of Astronomy. — Thousand Oaks: SAGE Publishing , 2008. — 1 februari ( vol. 39 ). - S. 91-119 . — ISSN 0021-8286 . - doi : 10.1177/002182860803900106 .
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Trimble V. The 1920 Shapley-Curtis Discussion  : Background, Issues, and Aftermath  // Publications of the Pacific Astronomical Society . - Chicago: University of Chicago Press , 1995. - 1 december ( vol. 107 ). - P. 1133-1144 . — ISSN 0004-6280 . - doi : 10.1086/133671 . Arkiverad från originalet den 1 augusti 2020.
  5. ↑ 1 2 Efremov Yu. N. Vintergatan. - Fryazino: Century 2, 2006. - S. 35-43. — 64 sid. — ISBN 5-85099-156-5 .
  6. Edwin Hubble upptäcker universum . Astronet . Hämtad 28 februari 2022. Arkiverad från originalet 28 februari 2022.
  7. ↑ 1 2 3 Hoskin MA Den "stora debatten": vad som verkligen hände  (eng.)  // Journal for the History of Astronomy. - Thousand Oaks: SAGE Publishing , 1976. - 1 januari ( vol. 7 ). - S. 169-182 . — ISSN 0021-8286 . - doi : 10.1177/002182867600700302 .
  8. ↑ 1 2 3 4 5 NRC-avskrifter av "den stora debatten" . APOD . Washington: NASA . Hämtad 4 april 2022. Arkiverad från originalet 21 mars 2022.
  9. Varför den "stora debatten" var viktig . APOD . Washington: NASA . Hämtad 4 april 2022. Arkiverad från originalet 12 februari 2022.
  10. Russell HN "Giant" och "dwarf" stjärnor  // The Observatory  / Gen. redaktör Arthur Stanley Eddington . - L. , 1913. - 1 augusti (bd 36). - s. 324-329. — ISSN 0029-7704 . Arkiverad från originalet den 26 mars 2019.
  11. Älskling D. Vintergatan galaxen . Internet Encyclopedia of Science . Hämtad 10 mars 2022. Arkiverad från originalet 20 augusti 2021.