По значению постоянной хаббла определяют возраст вселенной он равен

Закон Хаббла

Одной из важнейших работ Эдвина Хаббла стало наблюдение за туманностью, находящейся в созвездии Андромеда. Изучая её с помощью стодюймового рефлектора, учёный смог классифицировать туманность как некоторую звёздную систему. Это же касается и туманности в созвездие Треугольник, которая также получила статус галактики. Открытие Хаббла расширило объёмы материального мира. Теперь Вселенная стала выглядеть пространством, наполненным галактиками – гигантскими скоплениями звёзд. Рассмотрим открытый им закон — закон Хаббла, один из самых фундаментальных законов современной космологии.

История и суть открытия

Космологический закон, характеризующий расширение Вселенной, известен ныне именно как закон Хаббла. Это главнейший наблюдательный факт в современной космологии. Он помогает в оценке времени расширения Вселенной. Вычисления производятся с учётом коэффициента пропорциональности, называемой постоянной Хаббла. Сам закон получил свой нынешний статус вначале, как результат работ Ж. Леметра, а позже и Э. Хаббла, который для этого использовал свойства цефеид. Эти интересные объекты имеют периодические изменения светимости, что делает возможным определить их удаление достаточно надёжно. При помощи зависимости «период-светимость», он измерил расстояния до некоторых цефеид. Ещё он определил красные смещения их галактик, что позволило вычислить радиальные скорости. Все эти эксперименты были проведены в 1929 году.

Величина коэффициента пропорциональности, которую вывел учёный, составила примерно 500 км/сек на 1 Мпк. Но в наше время параметры коэффициента изменились. Теперь он составляет 67,8 ± 0,77 км/сек на 1 Мпк. Эта нестыковка объясняется тем, что Хаббл не учёл поправки на поглощение, которая в его время ещё не была открыта. Плюс к этому, не были приняты во внимание собственные скорости галактик, вкупе со скоростью, общей для группы галактик. Также следует учитывать, что под расширением Вселенной понимается не простой разлёт галактик в пространстве. Это ещё и динамическое изменение самого пространства.

Постоянная Хаббла

Это составляющая величина закона Хаббла, которая увязывает значения расстояния до объекта, находящегося за пределами нашей галактики, и скорости его удаления. Положения этой постоянной определяют средние значения скоростей галактик. Используя постоянную Хаббла, можно определить, что галактика, расстояние до которой 10 Мпк, удаляется со скоростью 700 км/сек. А галактика, удалённая на 100 Мпк, будет иметь скорость уже в 7000 км/сек. Пока все обнаруженные объекты сверхдальнего космоса вписываются в рамки хаббловского закона.

Выводы из закона

Определив, что туманность Андромеды – галактика, состоящая из отдельных звёзд, Хаббл обратил внимание на смещение в спектральных линиях излучений соседних галактик. Смещение было сдвинуто в красную сторону, и учёный охарактеризовал это, как проявление эффекта Доплера. У него получилось, что галактики, по отношению к Земле, удаляются. Дальнейшие исследования помогли понять, что галактики тем быстрее убегают, чем дальше от нас они находятся. Именно этот факт и определил, что закон Хаббла – центростремительное разбегание Вселенной со скоростями, нарастающими по мере удаления от наблюдателя. Кроме того, что Вселенная расширяется, закон определяет, что она ещё имела своё начало во времени. Для понимания данного постулата, нужно попытаться происходящее расширение визуально запустить обратно. В таком случае можно дойти до начальной точки. В этой точке – маленьком комке протоматерии – и был сосредоточен весь объём нынешней Вселенной.

Закон Хаббла также способен пролить свет и на возраст нашего мира. Если удаление всех галактик происходило изначально с той же скоростью, которая наблюдается и ныне, то время, прошедшее с начала разлёта, и есть само значение возраста. При современном значении постоянной Хаббла (67,8 ± 0,77 км/сек на 1 Мпк), возраст нашей Вселенной оценён в (13,798 ± 0,037) . 10 9 лет.

Значение в астрономии

Эйнштейн оценивал работу Хаббла достаточно высоко, а закон получил быстрое признание в науке. Именно наблюдения Хабблом (совместно с Хьюмасоном) красных смещений сделало вероятным допущение, что Вселенная не является стационарной. Закон, сформулированный великим учёным, фактически стал указанием, что во Вселенной присутствует некая структура, влияющая на разбегание галактик. Она имеет свойство сглаживать неоднородности космического вещества. Поскольку разбегающиеся галактики не замедляются, как это должно было быть вследствие действия их собственного тяготения, то должна существовать какая-то сила, их расталкивающая. И эта сила получила название тёмной энергии, которая имеет около 70% всей массы/энергии видимой Вселенной.

Сейчас расстояния до удалённых галактик и квазаров оцениваются посредством закона Хаббла. Главное, чтобы он действительно оказался верным для всей Вселенной, безграничной в пространстве и во времени. Ведь мы ещё не знаем свойств тёмного вещества, которое вполне может подкорректировать любые представления и законы.

Источник

По значению постоянной хаббла определяют возраст вселенной он равен

Постоянная Хаббла

Ю.Н.Ефремов

Самое грандиозное явление, известное человеку — это расширение нашей Вселенной, доказанное в 1929 г. Расстояния между скоплениями галактик непрерывно возрастают, и это важнейший факт для понимания устройства Мироздания. Определения скорости расширения — постоянной Хаббла, и ее зависимости от времени остаются важнейшим предметом наземных и орбитальных наблюдений.

1. Слабые туманности

Первые признаки расширения Вселенной были обнаружены около 80 лет назад, когда большинство астрономов полагало, что наша Галактика и есть вся Вселенная. Слабые туманные пятнышки, десятки тысяч которых были обнаружены с началом развития астрофотографии, считались далекими газовыми туманностями на окраине всеобъемлющей звездной системы Млечного пути.

Вестон Слайфер на Флагстаффской обсерватории в Аризоне долгие годы был единственным человеком в мире, получавшим спектры этих «слабых туманностей». Самим ярким их представителем была хорошо известная туманность Андромеды. В 1914 г. Слайфер опубликовал первое определение лучевой скорости этой туманности по спектрограмме, полученной им на 24-дюймовом рефракторе.

Оказалось, что М31 приближается к нам со скоростью около 300 км/с. К 1925 г. в коллекции Слайфера были спектры 41 объекта. Странной особенностью обладали эти спектры — скорости у всех из них были очень велики и отрицательная скорость M31 оказалась редким исключением; в среднем скорость туманностей составляла +375 км/с, а наибольшая скорость была +1125 км/с. Почти все они удалялись от нас, и скорости их превышали скорость любых других объектов, известных астрономам. (Напомним, что отрицательные скорости направлены к нам, положительные — от нас.)

Обсерваторию в Флагстаффе Персиваль Ловелл построил специально для наблюдений каналов Марса. Некоторые из нас пришли в астрономию, увлеченные его книгой, в которой рассказывалось о волне потемнения, о расщеплении каналов, переполняемых водой марсианской весны. Однако на этой обсерватории были открыты не менее фантастические, но совершенно реальные вещи. Работа Слайфера означала первый шаг на пути к открытию расширения Вселенной.

Споры о природе «слабых туманностей» велись с конца XVIII века. Вильям Гершель высказал предположение, что они могут быть далекими звездными системами, аналогичными системе Млечного пути. В 1785 г. он был уверен в том, что разрешить туманности на звезды нельзя только из-за слишком большой их удаленности. Однако в 1795 г., наблюдая планетарную туманность NGC 1514, он отчетливо увидел в центре ее одиночную звезду, окруженную туманным веществом. Существование подлинных туманностей, таким образом, не подлежало сомнению, и не было необходимости думать, что все туманные пятна — далекие звездные системы. И в 1820 г. Гершель говорил, что за пределом нашей собственной системы все покрыто мраком неизвестности.

В XIX веке в неразрешимых на звезды туманностях предпочитали видеть планетные системы в процессе образования — в духе гипотезы Лапласа; NGC 1514 казалась примером далеко зашедшей эволюции — из первичной туманности сконденсировалась уже центральная звезда.

К середине века к 2500 туманностям, открытым его отцом, Джон Гершель прибавил еще 5000, и изучение их распределения по небу дало главный аргумент против предположения, что они являются далекими звездными системами («островными вселенными»), подобными нашей системе Млечного Пути. Была обнаружена «зона избегания» — почти полное отсутствие этих слабых пятнышек света близ плоскости Млечного Пути. Это было понято как явное указание на их связь с системой Млечного пути. Поглощение света, наиболее сильное в плоскости Галактики, было еще неизвестно.

В 1865 г., Хеггинс впервые пронаблюдал спектр туманностей. Эмиссионные линии туманности Ориона явно говорили о ее газовом составе, но спектр туманности Андромеды (M31) был непрерывный, как и у звезд. Казалось бы, спор решен, но Хеггинс заключил, что такой вид спектра M31 говорит лишь о высокой плотности и непрозрачности составляющего ее газа.

В 1890 г. Агния Клерк в книге о развитии астрономии в XIX веке писала: «Вопрос о том, являются ли туманности внешними галактиками, вряд ли заслуживает теперь обсуждения. Прогресс исследований ответил на него. Можно с уверенностью сказать, что ни один компетентный мыслитель перед лицом существующих фактов не будет утверждать, что хотя бы одна туманность может быть звездной системой, сравнимой по размерам с Млечным Путем».

Хотелось бы знать, какие из нынешних столь же категоричных утверждений окажутся со временем столь же неверными . Заметим, что за сто лет до Клерк было высказано диаметрально противоположное суждение. «Повидимому, звезды. собраны в разнообразные группы, некоторые из коих содержат миллиарды звезд. Наше Солнце и ярчайшие звезды , возможно, входят в одну из таких групп, которая, очевидно, и опоясывает небо, образуя Млечный Путь». Эта осторожная, но совершенно правильная формулировка принадлежит великому Лапласу.

В начале XX века фотографии, полученные Килером с 36-дюймовым рефлектором, показали, что слабых туманностей не менее 120 000. Звездный спектр отражательных (в основном пылевых) туманностей вокруг звезд Плеяд, казалось, подтверждал мысль о невозможности решить вопрос спектральными исследованиями. Это позволило В. Слайферу предположить, что и спектр туманности Андромеды объясняется отражением света центральной звезды (за которую он принял ядро галактики. )

Для решения вопроса о природе «слабых туманностей» было необходимо знать их расстояние. Дискуссия по этому поводу продолжалась до 1925 г.; она заслуживает отдельного рассказа и здесь мы только вкратце опишем, как было установлено расстояние ключевого объекта — «туманности» Андромеды.

2. Открытие Вселенной

Уже к 1910 г. Джорд Ричи на 60″ телескопе обсерватории Маунт Вилсон получил великолепные снимки, на которых было видно, что спиральные ветви больших туманностей усыпаны звездобразными объектами, но изображения многих из них были нерезкие, туманные. Это могли быть и компактные туманности, и звездные скопления, и несколько слившихся изображений звезд.

Доказать, что в больших «туманностях» мы видим одиночные звезды, смог Эдвин Хаббл (1889 — 1953), молодой астроном той же обсерватории, в 1924 году. С помощью 100″ телескопа он нашел в туманности Андромеды 36 цефеид. Амплитуды изменения блеска этих переменных звезд — сверхгигантов полностью соответствовали известным у цефеид нашей Галактики и это доказывало, что мы имеем дело с одиночными звездами. И главное, зависимость период — светимость, установленная по цефеидам Магеллановых Облаков и Галактики, позволяла определить светимость найденных Хабблом звезд, и сравнение ее с блеском давало расстояние. Оно уводило туманность Андромеды далеко за пределы нашей звездной системы. Слабые туманности оказались далекими галактиками.

Увидеть можно только то, что считаешь возможным увидеть . Когда в начале 20-х гг. Хьюмасон показал Шепли несколько переменных звезд — вероятных цефеид, отмеченных им на пластинке с изображением туманности Андромеды, Шепли стер его отметки — в этой газовой туманности не могло быть звезд!

3. Начало космологии

Итак, Вселенная населена галактиками, а не изолированными звездами. Только теперь появились возможности проверки выводов зарождавшейся космологии — науки о строении и эволюции Вселенной в целом. В 1924 г. К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью В. де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдаленных объектов должна возрастать с их расстоянием. Модель де Ситтера соответствовала пустой Вселенной, но в 1923 г. немецкий математик Г.Вейль отметил, что если в нее поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге Эддингтона, опубликованной в том же году.

Де Ситтер, опубликовавший свою работу «Об эйнштейновской теории гравитации и ее астрономических следствиях» в 1917 гг., сразу же после появления общей теории относительности, знал только три лучевые скорости; у M31 она была отрицательна, а у двух слабых галактик — положительная и большая.

Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил в 1925 г., что «не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца». Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надежными критериями их расстояния.

О расширении непустой Вселенной говорилось и в первой космологической работе бельгийского теоретика Ж.Леметра, опубликованной в 1925 г. Следующая его статья, опубликованная в 1927 г., называлась «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». Коэфициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был близок к найденному Хабблом в 1929 г. В 1931 г. по инициативе Эддингтона статья Леметра была перепечатана в «Monthly Notices» и стала с тех пор широко цитироваться; работы А.А.Фридмана были опубликованы еще в 1922-1924 гг., но стали широко известны среди астрономов много позднее. Во всяком случае, Леметр был первым, кто четко заявил, что объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и должны быть предметом космологии — это не звезды, а гигантские звездные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с которыми он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.

Американский теоретик Х.Робертсон в 1928 г., используя данные Хаббла 1926 года, также нашел, что скорости разбегания галактик пропорциональны их расстоянию. Повидимому, эту работу Хаббл знал. С 1928 г. по его заданию М.Хьюмасон (1891-1972) упорно старался измерить красное смещение у возможно более далеких галактик. Вскоре за 45 часов экспозиции у галактики NGC 7619 в скоплении Персея была измерена скорость удаления в 3779 км/c. (Надо ли говорить, что последние две цифры излишни). Сам же Хаббл разработал критерии определения расстояний для далеких галактик, цефеиды в которых оставались недоступны 100″ телескопу. Они были основаны на предположении об одинаковости блеска самых ярких отдельных звезд внутри разных галактик. К 1929 г. у него были уверенные расстояния двух десятков галактик, в том числе в скоплении Девы, скорости которых доходили примерно до 1100 км/с.

4. Закон Хаббла

И вот 17 января 1929 г. в Труды Национальной академии наук США поступила статья Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и статья Хаббла, называвшаяся «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало четкую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла .

Хаббл понимал значение своего открытия. Сообщая о нем, он писал, что «зависимость скорость — расстояние может представлять эффект де Ситтера и, следовательно, она может дать количественные данные для определения общей кривизны пространства». Многочисленные попытки объяснить зависимость Хаббла не расширением Вселенной, а чем-либо иным, которые можно встретить и теперь, неизменно терпят неудачу. Так, не проходит старое предположение о том, что за долгое время пути фотоны «стареют», теряют энергию и соответствующая длина волны увеличивается — при этом размывались бы и изображения далеких объектов, а величина красного смещения зависела бы и от длины волны, чего не наблюдается. Прямые свидетельства правильности вывода о том, что более далекие объекты имеют большее красное смещение получены недавно при изучении кривых блеска и спектров далеких Сверхновых звезд.

Подчеркнем, что решающее значение имели методы определения расстояний галактик, разработанные Хабблом, для чего понадобились прямые фотографии на 100-дюймовом рефлекторе.

В тридцатых годах Хаббл и его сотрудники занимали более половины наблюдательного времени крупнейшего — и практически единственного тогда пригодного для таких работ — телескопа. И эта концентрация усилий привела к величайшим достижениям наблюдательной астрономии XX века!

К 1935 г. у Хьюмасона были спектрограммы 150 галактик до расстояний, в 35 раз превышающих расстояние скопления галактик в Деве, а к 1940 г. наибольшие обнаруженные им скорости удаления галактик составляли уже 40000 км/с. И до самых больших расстояний сохранялась прямая пропорциональная зависимость между красным смещением линий в спектре,

и расстоянием, которая в общем виде записывается так:

где c — скорость света, z — расстояние и v — лучевая скорость. Коэффициент пропорциональности H был назван позднее постоянной Хаббла.

Этот новый закон природы получил объяснение в основанных на общей теории относительности моделях Вселенной еще до того, как он был незыблемо установлен. Приоритет должен быть отдан А.А.Фридману; модели, полученные ранее Эйнштейном и де Ситтером, оказались предельными случаями моделей Фридмана. Широко известными долгое время оставались лишь результаты Леметра (не знакомого тогда с работами Фридмана), который после опубликования работы Хаббла напомнил Эддингтону о своей работе 1927 года — в этой работе Леметр пришел к выводу о расширении модели

Вселенной с конечной средней плотностью вещества в ней. Однако уже в 1931 г. Эйнштейн, говоря о расширяющейся Вселенной, отметил, что первым на этот путь вступил Фридман.

Однако сам Хаббл вскоре потерял уверенность в том, что красное смещение означает именно расширение Вселенной, — вероятно, под влиянием неумолимого вывода из этого предположения. Как писал тогда Г.Рессел, «признать теорию де Ситтера без оговорок преждевременно. Философски неприемлемо, чтобы все галактики прежде были вместе. На вопрос «почему» ответа мы не находим». Именно из такого рода соображений Эйнштейн ввел в свои уравнения 1916 г. космологическую постоянную, долженствующую стабилизировать Вселенную. Этой глубочайшей проблеме посвящена статья А.Д.Чернина «Физический вакуум и космическая антигравитация» на сайте www.astronet.ru и здесь мы только отметим, что ускоренное расширение Вселенной, обнаруженное в 1998 г. по Сверхновым типа Ia, объясняется отрицательным давлением космического вакуума, существование которого и отражается добавочным космологическом членом уравнений Эйнштейна.

Летом 1929 г. Хаббл обрушился на де Ситтера, посмевшего опубликовать детальную работу, посвященную сравнению теоретических и наблюдательных выводов о расширении Вселенной. Он писал де Ситтеру, что зависимость скорость — расстояние является «маунт-вилсоновским достижением», и что «первое обсуждение новых данных естественно принадлежит тем, кто действительно выполнял работу». Однако в 1931 г., после появления гипотезы Цвикки о возможности старения фотонов, Хаббл написал де Ситтеру, что «интерпретацию следут оставить Вам и еще очень немногим, кто компетентен авторитетно обсуждать предмет». До конца своей жизни (1953 г.) Хаббл повидимому так и не решил для себя, говорит ли красное смещение о расширении Вселенной, или оно обязано «некоему новому принципу природы». Так или иначе, его имя навсегда осталось в списке величайших ученых всех времен.

Красное смещение, пропорциональное расстоянию, означает не разбегание галактик именно от нас, а увеличение всех расстояний между всеми объектами Вселенной (точнее, между объектами, не связанным тяготением — т.е. скоплениями галактик) со скоростью, пропорциональной величине расстояния, подобно тому, как увеличиваются расстояния между всеми точками, расположенными на поверхности раздувающегося шара. Наблюдатель в любой галактике видит, что все другие галактики разбегаются от него. Скорости расширения Вселенной остается одной из самых важных задач астрономии.

Расскажем прежде всего, как ее решал сам Хаббл в 1935 г.

У него были данные о красном смещении 29 близких галактик, находящихся, однако, за пределами Местной группы: слишком близкие галактики использовать заведомо нельзя, так как для них скорости удаления от нас, обусловленные расширением Вселенной, слишком малы и сравнимы со случайными их скоростями в пространстве.

В этих 29 галактиках Хаббл определил звездные величины самых ярких звезд. Поскольку светимости их во всех галактиках, как нашел Хаббл, примерно одинаковы, их звездные величины должны быть функцией расстояния, и действительно, они показывают зависимость от скорости удаления v.

Эта зависимость по данным Хаббла представляется формулой . С другой стороны, , , и , где M — абсолютная величина. Из этих трех формул и вытекает выражение, с помощью которого определяется постоянная Хаббла: . В общем виде из закона Хаббла и формулы следует , т.е. .

5. Постоянная Хаббла

Абсолютная величина ярчайших звезд, найденная Хабблом, была равной -6,35 m , и величина H (Хаббл обозначал ее ) получилась 535 (км/с)/Мпс.

Поскольку светимость ярчайших звезд была определена сравнением их с цефеидами, пересмотр нуль-пункта зависимости период — светимость (В.Бааде, 1952) означал необходимость и пересмотра величины постоянной Хаббла. Хьюмасон, Мейолл и Сендидж в 1955 г., использовав новые данные о красном смещении и учтя поправку Бааде к нуль-пункту зависимости период — светимость, получили H=180 (км/с)/Мпс.

В 1958 г. Аллан Сендидж, продолжая дело своего учителя Хаббла, опубликовал результаты новой ревизии постоянной H. Опираясь главным образом на Новые звезды, Сендидж пришел к выводу, что модули расстояний Магеллановых Облаков, M31, M33 и NGC 6822 надо увеличить в среднем на 2,3 m сравнительно со значениями, принятыми Хабблом. На столько же, следовательно, надо сделать ярче абсолютные величины ярчайших звезд; они были уточнены еще и путем привлечения новых данных о ярчайших звездах галактик Местной группы. Но, помимо этих уточнений, Сендидж обнаружил у своего учителя еще и серьезную ошибку — объекты, которые Хаббл принимал за ярчайшие звезды в лежащих за пределами Местной группы галактиках, являются в действительности компактными эмиссионными туманностями, областями HII.

Хаббл, который в двадцатых годах мог работать только с пластинками, чувствительными к синим лучам, не имел возможности отличить изображения компактных областей HII от звезд, особенно в далеких галактиках. Даже в M31, несмотря на тщательные поиски, он не нашел ни од

Источник