Красное смещение, закон Хаббла и расширение Вселен
Цикл заметок «Грустные мысли»
Содержание:
1 Бесконечный протон и Великий Эйнштейн
2 Красное смещение, закон Хаббла и расширение Вселенной
3 Большой Взрыв и Черная дыра
4 Как обнаружить «Черную дыру»
5 Большой Взрыв и Реликтовое излучение — Рога и Копыта от науки
Почти всем известно, что звезды, которые видны в небе, светят нам из своего прошлого. Чем дальше от Земли находится звезда, тем больший интервал времени отделяет ее от нас. Астрофизики научились определять расстояния до большинства галактик, которых в нашей Вселенной огромное множество. Зная же скорость света, можно определить время запаздывания, с которым мы наблюдаем данную галактику или любой ее объект.
Ведя наблюдения за галактиками, Хаббл обнаружил некоторую закономерность: характерные спектры всех галактик смещены в красную сторону, и чем дальше от Земли находится галактика, тем больше смещение. Более того, если это смещение связать с эффектом Доплера, то окажется, что все галактики удаляются друг от друга, причем скорость удаления галактик имеет линейную зависимость от расстояния между ними.
Именно с учетом эффекта Доплера и сформулирован закон Хаббла: v=H*r, где v – это скорость удаления галактик, H – постоянная Хаббла, а r – расстояние между галактиками.
Закон Хаббла в подавляющем большинстве случаев интерпретируется следующим образом — чем дальше находятся галактики друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются (разлетаются). Данная интерпретация содержит логическую ловушку грамматического происхождения. Дело в том, что галактики не «разлетаются» с некоторой скоростью, а «разлетались» много млн. лет назад. Это очень важное обстоятельство. Закон Хаббла сформулирован в классической традиции, т.е. без учета задержки времени взаимодействия, связанной с конечностью скорости распространения. Впервые в научной практике сформулирован закон, который в принципе исключает его применяемость в области близкодействия, т.е. там, где задержку во времени можно из-за ее малости не учитывать. В этой ситуации классическая форма записи становится неуместной, т.к. создает предпосылки для ложного толкования, что и происходит на практике, хотя давно известно, что для бесконечных вселенных математическая форма записи закона Хаббла означает равномерное расширение, которое является принципиально недопустимым для бесконечных вселенных.
В формулировке закона Хаббла упоминание об ускорении отсутствует; значит, его необходимо попытаться установить. Определить характер ускорения не представляет большого труда. Воспользуемся для этого определением одновременности удаленных событий, сформулированным Эйнштейном (которым все и пользуются). Суть его проста, если кратковременное событие произошло в дальнем космосе, а мы его наблюдаем в настоящий момент, то это означает, что событие произошло раньше на время, необходимое лучу света для преодоления расстояния от точки события до точки наблюдения.
Из закона Хаббла, следует, что самые дальние галактики удаляются друг от друга (разлетаются) с максимальной скоростью. Для выяснения характера ускорения, необходимо установить, что с галактиками происходило после того, как сформировалось излучение, получаемое нами сейчас. Это можно узнать, продолжая наблюдения за ними еще несколько миллионов лет. А можно с некоторой доверительной вероятностью это же узнать по наблюдениям за более близкими областями космоса, от которых интересующая нас информация уже получена. Мы уже знаем, что более близкие галактики разлетаются медленнее, в соответствии с законом Хаббла. Но это означает, что расширение происходит с отрицательным ускорением, и скорее всего, в соответствии с законом всемирного тяготения. В этом случае «постоянная Хаббла» принципиально не может быть константой, т.к. должна изменяться во времени, а именно, постоянно уменьшаться и сменить знак при переходе Вселенной от расширения к сжатию.
Таким образом, можно утверждать, что для предположений о произвольно расширяющейся вселенной по неведомым законам, следствие которых (но не сами законы) математическим методом вывел Фридман, нет никаких оснований. Как видно из рассмотренного случая, интерпретация следствий из формул, смысл которых исполнителю не совсем ясен, может привести к ложным выводам. Такое изредка случалось во все времена, но не так часто как сейчас, и это грустно.
Нижний Новгород, март 2010г.
Контакт с автором: vleonovich@yandex.ru
С другими публикациями автора можно познакомиться на странице http://www.proza.ru/avtor/vleonovich сайта ПРОЗА.РУ.
1. А. Эйнштейн. Собрание научных трудов (СНТ), М. Наука 1965г.
2. А.М. Прохоров: Большая Советская Энциклопедия (3 редакция).
3. В.А. Уваров, Специальная теория относительности, М.: Наука, 1977.
4. Физический энциклопедический словарь. М. Советская энциклопедия, 1983.
Источник
Красное смещение. Закон Хаббла. Постоянная Хаббла
Одна из проблем внегалактической астрономии связана с определением расстояний до галактик и их размеров. В настоящее время измерены красные смещения тысяч галактик и квазаров. В 1912 г. американский астроном В. Слайфер обнаружил эффект красного смещения в спектрах далёких галактик. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл, сравнивая расстояния до галактик и их красные смещения, обнаружил, что последние растут в среднем пропорционально расстояниям (закон Хаббла), что и подтверждало гипотезу об удалении галактик, т. е. о расширении Метагалактики – видимой части Вселенной. 3
Красное смещение – увеличение волн линий в спектре источника (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. Наибольшие красные смещения наблюдаются в спектрах далёких внегалактических объектов – галактик и квазаров – и интерпретируются как следствие расширения Вселенной. Величина смещения в первом приближении прямо пропорциональна лучевой скорости объектов, которая для внегалактических объектов пропорциональна расстоянию.
Закон Хаббла обычно используется для определения расстояний до внегалактических объектов по их красному смещению, если последнее достаточно велико. Красное смещение для наиболее далёких из известных галактик составляют приблизительно больше 1, а для ряда квазаров превышают 3,5. 1
Формула определения расстояний до галактик: 
где r— расстояние до галактики; с – скорость света; 
H – постоянная Хаббла (составляет от 50 до 100 км/(с∙Мпк)) 2 . Значение постоянной Хабблахарактеризует скорость расширения Вселенной в современную эпоху и по порядку величины определяет время, протекшее с начала расширения до сегодняшнего момента. Для многих далёких внегалактических объектов закон Хаббла служит единственно достаточно надёжным способом оценки расстояний. Скорости удаления по красному смещению определяются сравнительно легко, в результате из данных о скорости и расстоянии находятпостоянную Хаббла.
Галактики и скопления галактик обладают ещё собственными движениями. Поэтому экспериментально определённое значение постоянной может считаться известным с точностью » 50%. Если принять Н=75 км/(сЧМпк), то расширение Вселенной началось приблизительно 13 млрд. лет назад. Другие оценки дают значение 10-20 млрд. лет. (По последним данным обнаружен квазар на расстоянии 24 млрд. световых лет от Земли 3 .)
Для очень больших расстояний необходимо учитывать эффекты общей относительности. В этом случае формулу лучше записывать в виде:
,
где R – масштаб, определяемый, например, расстоянием между любыми двумя скоплениями галактик в фиксированный момент в расширяющейся Вселенной не зависит от масштабов, т.е. является постоянной величиной. 4
Красное смещение надёжно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой. 5 Глава V. Крупномасштабная структура Вселенной
В конце XVIII в. Гершель В. построил первую модель Галактики. В ХХ в. Э. Хаббл начал работу по исследованию строения галактического мира. К 1943 г. он подсчитал количество галактик до 20-й звёздной величины на 1238 участках, которые равномерно распределил на небесной сфере. И нашёл, что на один квадратный градус в среднем приходится 131 галактика со звёздной величиной до 20 m . Галактики образуют группы скопления, в которые входят от десятка до десятков тысяч членов. Сейчас известно около 4000 таких скоплений (Волосы Вероники, расстояние 400 световых лет от нас, диаметр почти 12 ° , насчитывается около 40 тысяч галактик). Встречаются галактические скопления с общим количеством около 100 тысяч членов. Наша галактика имеет спутники: карликовые звёздные системы (Магеллановы Облака, Туманность Андромеды и ещё около 15 галактик-карликов), с которыми она образует Местную группу диаметром около 3 млн. световых лет. Обнаружено около 10 сверхскоплений – огромных систем размерами 50-150 Мпк, состоящих из нескольких скоплений, многих мелких групп и одиночных галактик. Все сверхскопления сильно сплюснуты или же сильно вытянуты и по форме напоминают цепочки. В направлении созвездия Персея на расстоянии от 24 до 80 Мпк галактик нет. «Чёрная область» обнаружена также в созвездиях Волосы Вероники, Геркулеса, Рыб. Вне указанных пределов наблюдается избыточная плотность галактик. Неоднородность в распределении галактик имеет локальный характер и в больших масштабах «в среднем» Вселенная однородна. 1
Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику. Одно из свойств Метагалактики – её постоянное расширение. В прошлом расстояния между галактиками были меньше. Миллиарды лет назад границы газовых облаков смыкались и образовывали однородное газовое облако, испытывавшее постоянное расширение. Свойство Метагалактики – равномерное распределение в ней вещества и галактик, она однородна и изотропна. Высказывается мысль о множественности «метагалактик», каждая из которых имеет свой набор фундаментальных физических свойств, пространства и времени, свои тип нестационарности, организации и др. Эти гипотезы не противоречат современным математическим и физико-теоретическим представлениям. 2
Изучение пространственного распределения галактик выявляет крупномасштабную структуру вселенной. Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях составляют несколько сотен кпк; (это примерно в 10-20 раз больше размера крупнейших галактик). Средние расстояния между группами галактик, одиночными галактиками и кратными системами составляют 1-2 Мпк, расстояния между скоплениями – десятки Мпк. Таким образом, галактики заполняют пространство с большей относительной плотностью, чем звёзды внутригалактическое пространство (расстояния между звёздами в среднем в 20 млн. раз больше их диаметров). 1
Возраст доступной для наблюдения части Вселенной (Метагалактики) оценивается по закону расширения Метагалактики. Согласно закону Хаббла, галактики удаляются друг от друга со скоростью 50-100 км/с на Мпк. Если эта скорость мало изменилась с начала расширения, то величина, обратная скорости, даёт оценку максимального возраста Метагалактики. Однако обычно предполагают, что расширение Метагалактики постепенно замедляется со временем, поэтому возраст её должен быть несколько меньше. 2
В соответствии с распространёнными представлениями возраст Вселенной составляет 15 млрд. лет с каждым днем доступная земным телескопам область вселенной возрастает на 10 18 кубических световых лет 3 (по последним данным обнаружен квазар на расстоянии 24 млрд. световых лет от Земли 4 ). Оценка возраста в сильной степени зависит от точности определения постоянной расширения и от величины замедления, т. е. предполагаемой модели мира.
Заключение.
По нашим человеческим меркам галактики невообразимо огромны. Изучение мира галактик является сейчас наиболее бурно развивающейся областью астрономии, которое требует мощных инструментов, а также новейших средств и методов исследований слабых объектов (радиоастрономии). 1
Недавно была сформулирована новая версия: «космическое согласие». Во Вселенной должна быть ещё какая-то дополнительная энергия, способная на космологических расстояниях противостоять гравитационному притяжению материи. Наблюдения за скоплениями галактик говорят о том, что барионная и тёмная материи могут обеспечить 20-30% необходимой плотности энергии. Около ѕ этой плотности следует отнести на счёт тёмной энергии, которая и ускоряет расширение Вселенной. Второе направление перспективных исследований включает накопление данных о возрастании скорости формирования крупномасштабных структур вселенной типа скоплений галактик. 2
10»Галактики располагаются примерно там, где плотность скрытой массы велика. Она «помогает» галактикам сформироваться. Большая часть видимой материи собралась в галактики. Чтобы определить массу Вселенной, надо измерить массы всех галактик, их 11 шт., и в каждой сверкает по нескольку млрд. звёзд. Получаем примерно 10 52 кг — такова масса всех звёзд в видимой части Вселенной. Недоучтёнными до последнего времени были около 10 53 кг. Исследуя спектры звёзд, учёные определяют их скорости, судят о движении внутри галактики и анализируют перемещения галактик внутри скоплений. При изучении вращения галактик было обнаружено, что скорости движения звёзд оказались слишком большими. Зависимость скорости от расстояния до центра галактики такова, что наличием одной массивной чёрной дыры в центре галактики её объяснить нельзя. Современные учёные пока не располагают данными о количестве и массе чёрных дыр даже в нашей Галактике, не говоря уже о всей вселенной.
Основную работу по удержанию звёзд в галактике совершают незаметные нейтрино, которые заполняют все пространство. Существует несколько моделей формирования галактик, и присутствие скрытой массы является необходимой составляющей большинства из них.
Список литературы.
1.
Агекян Т. А. Звёзды, галактики, Метагалактика. — М.: Наука, 1981. – 416 с. — С. 188-190.
2.
Бронников К. Постулаты относительного мира. // Вокруг света. – 2004. — № 4. – С. 90 – 99.
3.
Горелов А. А. Концепции современного естествознания. – М.: Центр, 2002. – 208 с. – С. 46, 49.
4.
Квазар за пределами Вселенной. // Наука и жизнь. — № 9. – 2000. – С. 96.
5.
Климишин И. А. Астрономия наших дней. – М.: Наука, 1986. – 560 с. – С. 437-441, 463-465.
6.
Найдыш В. М. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие. – М.: Гардарики, 2000. – 476 с. – С. 304-306, 321-327, 332-333.
7.
Ройзен И. Новый сюрприз Вселенной: тёмная энергия. // Наука и жизнь. — № 3. – 2004. – С. 38 — 42.
8.
Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Гл. редактор Р. А. Сюняев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Сов. энциклопедия, 1986 – 783 с., ил. – (Биб. серия). – С.: 62-68, 70, 75-77, 81-84, 176, 295-296, 331, 341, 365, 541-544, 609, 611, 651,709, 767.
1 Найдыш В. М. — С. 304 — 306.
2 Физика космоса. – С. 76.
1 Наука и жизнь – № 9/2000. – С. 96.
2 Найдыш В. М. – С. 321-323.
3 Физика космоса. – С. 77.
1 Физика космоса. – С. 77., а также Найдыш В. М.. – С. 324.
2 Физика космоса. – С. 767, 609 — 611.
1 Физика космоса. – С. 767, 341, 541-544.
2 Найдыш В. М. — С. 324.
1 Вокруг света. — №4/2004. – С. 98.
2 Физика космоса. – С. 767.
3 Горелов А. А. – С. 49.
1 Физика космоса. – С. 81.
1 Физика космоса. – С. 70.
2 Физика космоса. – С. 651.
1 Горелов А. А. – С. 49.
2 Физика космоса. – С. 295-296.
3 Найдыш В. М. – С. 305.
4 Наука и жизнь. — № 9/2000. – С. 96.
5 Найдыш В. М. – С. 323.
2 Физика космоса. – С. 82 -84.
1 Физика космоса. – С. 62.
2 Горелов А. А.. – С. 49.
3 Найдыш В. М.. – С. 324.
4 Физика космоса. – С. 176.
1 Физика космоса. С. 62.
2 Найдыш В. М.. – С. 325.
3 Физика космоса. С. 62-63.
4 Найдыш В. М.. – С. 325.
5 Физика космоса. – С. 64.
1 Найдыш В. М.. – С. 325 -326.
2 Физика космоса. – С. 65.
1 Физика космоса. – С. 75.
1 Климишин И. А.. – С. 437 – 441.
2 Агекян Т. А. – С. 188-190.
1 Физика космоса. – С. 68.
2 Физика космоса. — С. 365.
3 Найдыш В. М. – С. 322.
1 Физика космоса. – С. 331.
2 Найдыш В. М. – С. 322.
3 Наука и жизнь – № 9/2000. – С. 96.
4 Физика космоса. – С. 709.
5 Горелов А. А.. – С. 46.
1 Климишин И. А. – С. 463-465.
2 Найдыш В. М. – С. 327
1 Физика космоса. С. 76-77.
2 Физика космоса. – С. 176.
3 Найдыш В. М.. – С. 332-333.
4 Наука и жизнь – № 9/2000. – С. 96.
1 Найдыш В. М. — С. 321- 322, 324.
2 Наука и жизнь. — №3/2004. – С. 38-41.
Источник