Постоянная хаббла удаление луны

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

Почему телескоп им. Хаббла видит галактики, но не видит следов на Луне?

В прошлой статье было много вопросов (обвинений) в том, что я нес ахинею по поводу космических телескопов — дескать, раз они галактики и туманности способны увидеть, то почему не могут увидеть модулей Аполлонов?

Сухие цифры

Для примера возьмем галактику Водоворот, которая выглядит «глазами» телескопа им. Хаббла как-то так:

Эта галактика очень похожа на Млечный Путь, так как входит в ту же группу последовательности Хаббла, а также имеет диаметр 100 тыс световых лет. Отсюда понятно, что это просто нереально огромная галактика (по сравнению с бытовыми размерами, не во вселенском масштабе) — она в 112.026.170.000 (112 млрд) раз больше Луны и в 56.665.834.000.000 (56,6 трлн) раз дальше от нас, чем Луна. При этом ее угловой размер варьируется от 6,9 до 11,2 угловых минут (при 30 угловых минутах у Луны) — то есть она не такая уж и маленькая на небе. Это отлично видно по коллажу, составленному Александром Сорокиным из команды DS Astro:

Почему, если галактики такие большие, мы их не видим?

Несмотря на ярчайшие и мощные гала со сверхмассивными черными дырами в центре (которые по мощности могут превосходить наше ядро), при преодолевании огромных расстояний свет немного тусклеет + источник очень далеко. Та же галактика M51 имеет звездную величину 8,4m (примите во внимание, что это неточечный источник, а рассеянный), а Луна, например, -12,7m, что во много раз больше. Многие галактики просто незаметны нашему глазу, и даже с помощью бинокля или слабенького телескопа их не разглядеть.

Для того, чтобы делать снимки галактик, камеры телескопов делают огромные выдержки, чтобы накопить достаточное количество света. К тому же, снимки не одиночные, а серийные — у меня, например, за одну сессию астрофотографий (на один объект) уходит до пары сотен фото (для Луны значения могут доходить до десятков тысяч), профессионалы вовсе могут делать многочасовые выдержки.

Мыслите критически, занимайтесь астрономией, счастливо!

Источник

Закон Хаббла

График из оригинальной работы Хаббла 1929 года

В свое время закон Хаббла сделал переворот в профессиональной астрономии. В начале ХХ века американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что наша Вселенная не статична, как казалось ранее, а постоянно расширяется.

Общие сведения

Постоянная Хаббла: данные с различных космических аппаратов

Закон Хаббла – физико-математическая формула, доказывающая, что наша Вселенная постоянно расширяется. Причем расширение космического пространства, в котором находится и наша галактика Млечный путь, характеризуется однородностью и изотропией. То есть, наша Вселенная расширяется одинаково во всех направлениях. Формулировка закона Хаббла доказывает и описывает не только теорию расширение Вселенной, но и главную идею ее происхождения – теорию Большого взрыва.

Наиболее часто в научной литературе закон Хаббла встречается под следующей формулировкой: v=H0*r. В этой формуле v означает скорость галактики, H0 – коэффициент пропорциональности, который связывает расстояние от Земли до космического объекта со скоростью его удаления (этот коэффициент еще называют «Постоянной Хаббла»), r – расстояние до галактики.

В некоторых источниках встречается другая формулировка закона Хаббла: cz=H0*r. Здесь c выступает, как скорость света, а z символизирует собой красное смещение – сдвиг спектральных линий химических элементов в длинноволновую красную сторону спектра по мере их удаления. В физико-теоретической литературе можно обнаружить и другие формулировки данного закона. Однако от разности формулировок суть закона Хаббла не меняется, а его суть заключается в описании того факта, что наша Вселенная непрерывно расширяется во всех направлениях.

Открытие закона

Возраст и будущее Вселенной может быть определено путем измерения постоянной Хаббла

Предпосылкой к открытию закона Хаббла был целый ряд астрономических наблюдений. Так, в 1913 году американский астрофизик Вейл Слайдер обнаружил, что Туманность Андромеды и несколько других огромных космических объектов движутся с большой скоростью, относительно Солнечной системы. Это дало ученому основание предположить, что туманность – это не формирующиеся в нашей галактике планетарные системы, а зарождающиеся звезды, которые находятся за пределами нашей галактики. Дальнейшее наблюдение за туманностями показало, что они не только являются другими галактическими мирами, но и постоянно удаляются от нас. Этот факт дал возможность астрономическому сообществу предположить, что Вселенная постоянно расширяется.

В 1927 году бельгийский ученый-астроном Жорж Леметр экспериментально установил, что галактики во Вселенной удаляются друг от друга в космическом пространстве. В 1929 году американский ученый Эдвин Хаббл при помощи 254-сантиметрового телескопа установил, что Вселенная расширяется и галактики в космическом пространстве удаляются друг от друга. Используя свои наблюдения, Эдвин Хаббл сформулировал математическую формулу, которая по сегодняшний день точно описывает принцип расширения Вселенной, и имеет огромное значение, как для теоретической, так и практической астрономии.

Закон Хаббла: применение и значение для астрономии

Закона Хаббла имеет огромное значение для астрономии. Его широко применяют современные ученые в рамках создания различных научных теорий, а также при наблюдении космических объектов.

Материалы по теме

Горизонт событий

Главное значение закона Хаббла для астрономии заключается в том, что он подтверждает постулат: Вселенная постоянно расширяется. Вместе с этим закон Хаббла служит дополнительным подтверждением теории Большого взрыва, ведь, как считают современные ученые, именно Большой взрыв послужил толчком для расширения «материи» Вселенной.

Закон Хаббла позволил выяснить также, что Вселенная расширяется во всех направлениях одинаково. В какой точке космического пространства не оказался бы наблюдатель, если он посмотрит вокруг себя, он заметит, что все объекты вокруг него одинаково от него удаляются. Наиболее удачно этот факт можно выразить цитатой философа Николая Кузанского, который еще в XV веке сказал: «Любая точка есть центр Безграничной Вселенной».

При помощи закона Хаббла современные астрономы могут с высокой долей вероятности просчитывать положение галактик и скоплений галактик в будущем. Точно так же с его помощью можно вычислить предположительное месторасположение любого объекта в космическом пространстве, спустя определенное количество времени.

Интересные факты

1. Величина, обратная постоянной Хаббла, равна примерно 13,78 миллиардам лет. Эта величина указывает на то, сколько времени прошло с момента начала расширения Вселенной, а значит, вполне вероятно указывает и на ее возраст.
2. Наиболее часто закон Хаббла используют для определения точных расстояний до объектов в космическом пространстве.

3. Закон Хаббла определяет удаление от нас далеких галактик. Что касается ближайших к нам галактик, то здесь его действие не так ярко выражено. Связано это с тем, что эти галактики помимо скорости, связанной с расширением Вселенной, обладают еще и своей собственной скоростью. В связи с этим они могут, как удаляться от нас, так и приближаться к нам. Но, в общем и целом закон Хаббла актуален для всех космических объектов во Вселенной.

‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Закон Хаббла» title=»Закон Хаббла»>

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Закон Хаббла — Hubble’s law

• Категория
• Астрономический портал

Закон Хаббла , также известный как закон Хаббла – Леметра , представляет собой наблюдение в физической космологии, согласно которому галактики удаляются от Земли со скоростью, пропорциональной их расстоянию. Другими словами, чем дальше они находятся, тем быстрее удаляются от Земли. Скорость галактик определяется их красным смещением , смещением света, который они излучают, в сторону красного конца спектра.

Закон Хаббла считается первой наблюдательной базой для расширения Вселенной , и сегодня он служит одним из свидетельств, наиболее часто приводимых в поддержку модели Большого взрыва . Движение астрономических объектов, вызванное исключительно этим расширением, известно как поток Хаббла . Он описывается уравнением v = H ₀ D , где H _{0 —} это константа пропорциональности — постоянная Хаббла — между «надлежащим расстоянием» D до галактики, которое может меняться со временем, в отличие от сопутствующего расстояния , и скоростью ее отделения. v , т.е. производная собственного расстояния по космологической координате времени . (См. « Использование правильного расстояния » для обсуждения тонкостей этого определения «скорости».)

Постоянная Хаббла чаще всего указывается в ( км / с ) / Мпк , что дает скорость в км / с галактики на расстоянии 1 мегапарсек (3,09 × 10 19 км), и ее значение составляет около 70 (км / с) / Мпк. . Однако единица СИ для H ₀ — это просто с -1 , а единица СИ для обратной величины H ₀ — просто вторая. Величина, обратная H ₀ , известна как время Хаббла . Постоянную Хаббла также можно интерпретировать как относительную скорость расширения. В этой форме H ₀ = 7% / млрд лет, что означает, что при нынешних темпах расширения несвязанная структура вырастет на 7% за миллиард лет.

Хотя идея расширения Вселенной с вычислимой скоростью широко приписывается Эдвину Хабблу , она была впервые выведена из уравнений общей теории относительности в 1922 году Александром Фридманом . Фридман опубликовал набор уравнений, теперь известных как уравнения Фридмана , показывающих, что Вселенная может расширяться, и представляющих скорость расширения, если бы это было так. Затем Жорж Лемэтр в статье 1927 года независимо вывел, что Вселенная может расширяться, заметил пропорциональность между скоростью удаления и расстоянием до удаленных тел и предложил расчетное значение константы пропорциональности; эта константа, когда Эдвин Хаббл подтвердил существование космического расширения и определил более точное значение для него два года спустя, стала известна под его именем как постоянная Хаббла . Хаббл определил скорость удаления объектов по их красным смещениям , многие из которых были ранее измерены и связаны со скоростью Весто Слайфер в 1917 году. Хотя постоянная Хаббла H ₀ примерно постоянна в пространстве скорость-расстояние в любой данный момент времени, параметр Хаббла H , которой постоянная Хаббла является текущее значение, изменяется со временем, так что термин константа иногда рассматривать как — то неправильным.

СОДЕРЖАНИЕ

Открытие

За десять лет до Хаббл сделал свои наблюдения, ряд физиков и математиков создал последовательную теорию расширяющейся Вселенной с помощью уравнений поля Эйнштейна по общей теории относительности . Применение самых общих принципов к природе вселенной привело к динамическому решению, которое противоречило преобладающему в то время представлению о статической вселенной .

Наблюдения Слайфера

В 1912 году Весто Слайфер измерил первое доплеровское смещение « спиральной туманности » (устаревший термин для спиральных галактик) и вскоре обнаружил, что почти все такие туманности удалялись от Земли. Он не понимал космологических последствий этого факта, и действительно, в то время было очень спорно, были ли эти туманности «островными вселенными» за пределами нашего Млечного Пути.

Уравнения FLRW

В 1922 году Александр Фридман вывел свои уравнения Фридмана из уравнений поля Эйнштейна , показав, что Вселенная может расширяться со скоростью, вычисляемой с помощью этих уравнений. Параметр, используемый Фридманом, известен сегодня как масштабный коэффициент и может рассматриваться как масштабно-инвариантная форма константы пропорциональности закона Хаббла. Жорж Лемэтр независимо нашел подобное решение в своей статье 1927 года, обсуждаемой в следующем разделе. Уравнения Фридмана выводятся путем вставки метрики для однородной и изотропной Вселенной в уравнения поля Эйнштейна для жидкости с заданной плотностью и давлением . Эта идея расширяющегося пространства-времени в конечном итоге приведет к космологии теории Большого взрыва и Устойчивого состояния.

Уравнение Лемэтра

В 1927 году, за два года до того, как Хаббл опубликовал свою статью, бельгийский священник и астроном Жорж Лемэтр первым опубликовал исследование, основанное на том, что сейчас известно как закон Хаббла. По словам канадского астронома Сиднея ван ден Берга , «открытие Леметром расширения Вселенной в 1927 году было опубликовано на французском языке в журнале, посвященном малым ударам. В переводе этой статьи на английский язык в 1931 году критическое уравнение было изменено. опуская ссылку на то, что сейчас известно как постоянная Хаббла «. Теперь известно, что изменения в переведенной статье были выполнены самим Лемэтром.

Форма вселенной

До появления современной космологии много говорилось о размере и форме Вселенной . В 1920 г. по этому поводу между Харлоу Шепли и Хибером Д. Кертисом состоялись дебаты Шепли-Кертиса . Шепли утверждал, что Вселенная размером с галактику Млечный Путь была маленькой, а Кертис утверждал, что Вселенная намного больше. Проблема была решена в ближайшее десятилетие с улучшенными наблюдениями Хаббла.

Цефеиды переменных звезд за пределами Млечного Пути

Эдвин Хаббл провел большую часть своих профессиональных астрономических наблюдений в обсерватории Маунт-Вильсон , где находился самый мощный телескоп в мире на то время. Его наблюдения переменных звезд- цефеид в «спиральных туманностях» позволили ему вычислить расстояния до этих объектов. Удивительно, но было обнаружено, что эти объекты находятся на расстоянии, которое помещает их далеко за пределы Млечного Пути. Их продолжали называть туманностями , и лишь постепенно термин « галактики» заменил его.

Комбинирование красных смещений с измерениями расстояний

Параметры, которые фигурируют в законе Хаббла, скорости и расстояния, напрямую не измеряются. В действительности мы определяем, скажем, яркость сверхновой, которая дает информацию о расстоянии до нее, и красное смещение z = ∆ λ / λ ее спектра излучения. Хаббл коррелировал яркость и параметр z .

Объединив свои измерения расстояний до галактик с измерениями красных смещений галактик Весто Слайфер и Милтона Хьюмасона , Хаббл обнаружил грубую пропорциональность между красным смещением объекта и его расстоянием. Хотя имел место значительный разброс (теперь известно, что он вызван пекулярными скоростями — «поток Хаббла» используется для обозначения области пространства, находящейся достаточно далеко, чтобы скорость удаления больше, чем местные пекулярные скорости), Хабблу удалось построить график. линия тренда от 46 галактик, которые он изучил, и получила значение постоянной Хаббла 500 км / с / Мпк (намного выше, чем принятое в настоящее время значение из-за ошибок в его калибровке расстояний; подробности см. в лестнице космических расстояний ).

Во время открытия и развития закона Хаббла было приемлемо объяснить феномен красного смещения как доплеровский сдвиг в контексте специальной теории относительности и использовать формулу Доплера, чтобы связать красное смещение z со скоростью. Сегодня, в контексте общей теории относительности, скорость между удаленными объектами зависит от выбора используемых координат, и, следовательно, красное смещение можно в равной степени описать как доплеровский сдвиг или космологический сдвиг (или гравитационный) из-за расширяющегося пространства, или как сочетание двух.

Диаграмма Хаббла

Закон Хаббла можно легко изобразить на «диаграмме Хаббла», на которой скорость (предполагаемая приблизительно пропорциональной красному смещению) объекта отложена в зависимости от его расстояния от наблюдателя. Прямая линия с положительным наклоном на этой диаграмме является визуальным изображением закона Хаббла.

Космологическая постоянная заброшена

После того, как открытие Хаббла было опубликовано, Альберт Эйнштейн отказался от своей работы по космологической постоянной , которую он разработал, чтобы модифицировать свои уравнения общей теории относительности, чтобы они могли дать статическое решение, которое, по его мнению, было правильным состоянием Вселенной. Уравнения Эйнштейна в их простейшей форме модели генерировали либо расширяющуюся, либо сжимающуюся Вселенную, поэтому космологическая постоянная Эйнштейна была искусственно создана, чтобы противодействовать расширению или сжатию, чтобы получить идеальную статическую и плоскую Вселенную. После открытия Хабблом того факта, что Вселенная расширяется, Эйнштейн назвал свое ошибочное предположение о том, что Вселенная статична, своей «самой большой ошибкой». Сама по себе общая теория относительности могла предсказать расширение Вселенной, которое (посредством наблюдений, таких как искривление света большими массами или прецессия орбиты Меркурия ) можно было экспериментально наблюдать и сравнивать с его теоретическими расчетами с использованием конкретных решений. уравнений, которые он изначально сформулировал.

В 1931 году Эйнштейн совершил поездку в обсерваторию Маунт-Вильсон, чтобы поблагодарить Хаббла за предоставление наблюдательной основы для современной космологии.

Космологическая постоянная вновь привлекла внимание в последние десятилетия как гипотеза темной энергии .

Интерпретация

Открытие линейной зависимости между красным смещением и расстоянием в сочетании с предполагаемой линейной зависимостью между скоростью рецессии и красным смещением дает прямое математическое выражение для закона Хаббла следующим образом:

v знак равно ЧАС 0 D <\ displaystyle v = H_ <0>\, D>

• v <\ displaystyle v>— скорость возврата, обычно выражаемая в км / с.
• H₀ — постоянная Хаббла и соответствует значению (часто называемому параметром Хаббла, которое является значением, зависящим от времени и которое может быть выражено через масштабный коэффициент ) в уравнениях Фридмана, взятых во время наблюдения, обозначенных нижний индекс 0 . Это значение одинаково во всей Вселенной для данного сопутствующего времени . ЧАС <\ displaystyle H>
• D <\ displaystyle D>является надлежащим расстояние (которое может изменяться с течением времени, в отличии от сопутствующего расстояния , которое является постоянным) от галактики к наблюдателю, измеряется в мегепарсек (MPC), в 3-пространстве , задаваемого космологическое время . (Скорость рецессии равна просто v = dD / dt ).

Закон Хаббла считается фундаментальным соотношением между скоростью разбегания и расстоянием. Однако связь между скоростью удаления и красным смещением зависит от принятой космологической модели и не устанавливается, за исключением небольших красных смещений.

Для расстояний D, превышающих радиус сферы Хаббла r _HS , объекты удаляются со скоростью, превышающей скорость света ( см. Использование правильного расстояния для обсуждения значения этого):

р ЧАС S знак равно c ЧАС 0 . <\ displaystyle r_ = <\ frac >> \.>

Поскольку «постоянная» Хаббла является постоянной только в пространстве, а не во времени, радиус сферы Хаббла может увеличиваться или уменьшаться в различные промежутки времени. Нижний индекс «0» указывает значение постоянной Хаббла на сегодняшний день. Текущие данные свидетельствуют о том, что расширение Вселенной ускоряется ( см. Ускорение Вселенной ), а это означает, что для любой данной галактики скорость удаления dD / dt увеличивается со временем по мере того, как галактика перемещается на все большие и большие расстояния; однако на самом деле считается, что параметр Хаббла уменьшается со временем, а это означает, что если бы мы смотрели на некоторое фиксированное расстояние D и наблюдали, как несколько разных галактик проходят это расстояние, более поздние галактики пройдут это расстояние с меньшей скоростью, чем предыдущие. .

Скорость красного смещения и скорость спада

Красное смещение можно измерить, определив длину волны известного перехода, например α-линии водорода для далеких квазаров, и найдя относительный сдвиг по сравнению со стационарным эталоном. Таким образом, красное смещение — величина, однозначная для экспериментального наблюдения. Другое дело — отношение красного смещения к скорости разбегания. Подробное обсуждение см. В Harrison.

Скорость красного смещения

Красное смещение z часто описывается как скорость красного смещения , которая представляет собой скорость рецессии, которая произвела бы такое же красное смещение, если бы оно было вызвано линейным эффектом Доплера (что, однако, не так, поскольку смещение частично вызвано космологическое расширение пространства и потому, что задействованные скорости слишком велики, чтобы использовать нерелятивистскую формулу для доплеровского сдвига). Эта скорость красного смещения может легко превысить скорость света. Другими словами, чтобы определить скорость красного смещения v _rs , соотношение:

v р s ≡ c z , <\ displaystyle v_ \ Equiv cz,>

используется. То есть нет принципиальной разницы между скоростью красного смещения и красным смещением: они строго пропорциональны и не связаны никакими теоретическими рассуждениями. Мотивация за терминологией «скорость красного смещения» заключается в том, что скорость красного смещения согласуется со скоростью из низкоскоростного упрощения так называемой формулы Физо-Доплера .

z знак равно λ о λ е — 1 знак равно 1 + v c 1 — v c — 1 ≈ v c . <\ displaystyle z = <\ frac <\ lambda _ > <\ lambda _ >> — 1 = <\ sqrt <\ frac <1 + <\ frac >> <1 - <\ frac >>>> — 1 \ приблизительно <\ frac >.>

Здесь λ _o , λ _e — наблюдаемая и излучаемая длины волн соответственно. Однако «скорость красного смещения» v _rs не так просто связана с реальной скоростью при более высоких скоростях, и эта терминология приводит к путанице, если ее интерпретировать как реальную скорость. Далее обсуждается связь между скоростью красного или красного смещения и скоростью отступления. Это обсуждение основано на Сартори.

Скорость рецессии

Предположим, что R (t) называется масштабным фактором Вселенной и увеличивается по мере расширения Вселенной в зависимости от выбранной космологической модели . Смысл ее в том , что все измеряется соответствующие расстояния D (т) между совместно движущихся точек возрастает пропорционально R . (Совместно движущиеся точки не перемещаются относительно друг друга, кроме как в результате расширения пространства.) Другими словами:

D ( т ) D ( т 0 ) знак равно р ( т ) р ( т 0 ) , <\ displaystyle <\ frac )>> = <\ frac )>>,>

где t ₀ — некоторое эталонное время. Если свет излучается галактикой в ​​момент времени t _e и принимается нами в момент t ₀ , он смещается в красную сторону из-за расширения пространства, и это красное смещение z будет просто:

z знак равно р ( т 0 ) р ( т е ) — 1. <\ displaystyle z = <\ frac )> )>> — 1.>

Предположим, что галактика находится на расстоянии D , и это расстояние изменяется со временем со скоростью д _т Д . Мы называем эту скорость спада «скоростью спада» v _r :

v р знак равно d т D знак равно d т р р D . <\ displaystyle v_ = d_ D = <\ frac R> > D.>

Теперь определим постоянную Хаббла как

ЧАС ≡ d т р р , <\ Displaystyle H \ Equiv <\ гидроразрыва R> >,>

и откройте для себя закон Хаббла:

v р знак равно ЧАС D . <\ displaystyle v_ = HD.>

С этой точки зрения закон Хаббла представляет собой фундаментальное соотношение между (i) скоростью удаления, вносимой расширением пространства, и (ii) расстоянием до объекта; связь между красным смещением и расстоянием — это костыль, используемый для связи закона Хаббла с наблюдениями. Этот закон можно приблизительно связать с красным смещением z , сделав разложение в ряд Тейлора :

z знак равно р ( т 0 ) р ( т е ) — 1 ≈ р ( т 0 ) р ( т 0 ) ( 1 + ( т е — т 0 ) ЧАС ( т 0 ) ) — 1 ≈ ( т 0 — т е ) ЧАС ( т 0 ) , <\ displaystyle z = <\ frac )> )>> — 1 \ приблизительно <\ frac )> ) ) \ left (1+ (t_ -t_ <0>) H (t_ <0>) \ right)>> — 1 \ приблизительно (t_ <0>-t_ ) H (t_ <0>),>

Если расстояние не слишком велико, все другие усложнения модели превращаются в небольшие поправки, а временной интервал — это просто расстояние, деленное на скорость света:

z ≈ ( т 0 — т е ) ЧАС ( т 0 ) ≈ D c ЧАС ( т 0 ) , <\ Displaystyle г \ примерно (т_ <0>-т_ <е>) Н (т_ <0>) \ примерно <\ гидроразрыва <с>> Н (т_ <0>),>

c z ≈ D ЧАС ( т 0 ) знак равно v р . <\ displaystyle cz \ приблизительно DH (t_ <0>) = v_ .>

Согласно этому подходу, соотношение cz = v _r является приближением, допустимым для малых красных смещений, которое должно быть заменено соотношением для больших красных смещений, которое зависит от модели. См. Рисунок «скорость-красное смещение» .

Наблюдаемость параметров

Строго говоря, ни v, ни D в формуле не наблюдаются напрямую, потому что сейчас они являются свойствами галактики, тогда как наши наблюдения относятся к галактике в прошлом, в то время, когда свет, который мы сейчас видим, покинул ее.

Для относительно близких галактик (красное смещение z намного меньше единицы) v и D не сильно изменится, и v можно оценить по формуле, где c — скорость света. Это дает эмпирическую зависимость, найденную Хабблом. v знак равно z c <\ displaystyle v = zc>

Для далеких галактик v (или D ) нельзя вычислить по z без определения подробной модели того, как H изменяется со временем. Красное смещение даже не связано напрямую со скоростью удаления в момент выхода света, но у него есть простая интерпретация: (1 + z) — это коэффициент, с которым Вселенная расширилась, пока фотон двигался к наблюдателю.

Скорость расширения в зависимости от относительной скорости

При использовании закона Хаббла для определения расстояний можно использовать только скорость, обусловленную расширением Вселенной. Поскольку гравитационно взаимодействующие галактики движутся относительно друг друга независимо от расширения Вселенной, эти относительные скорости, называемые пекулярными скоростями, необходимо учитывать при применении закона Хаббла.

Эффект « Палец Бога» — один из результатов этого явления. В системах, связанных гравитацией , таких как галактики или наша планетная система, расширение пространства является гораздо более слабым эффектом, чем сила притяжения гравитации.

Временная зависимость параметра Хаббла

Этот параметр обычно называют « постоянной Хаббла », но это неправильное название, поскольку он постоянен в пространстве только в фиксированное время; она меняется со временем почти во всех космологических моделях, и все наблюдения далеких объектов также являются наблюдениями в далеком прошлом, когда «константа» имела другое значение. « Параметр Хаббла » — более правильный термин, обозначающий современное значение. ЧАС <\ displaystyle H> ЧАС 0 <\ displaystyle H_ <0>>

Другой распространенный источник путаницы состоит в том, что ускорение Вселенной не означает, что параметр Хаббла действительно увеличивается со временем; так как в большинстве ускоряющих моделей увеличивается относительно быстрее, чем , поэтому H уменьшается со временем. (Скорость удаления одной выбранной галактики действительно увеличивается, но разные галактики, проходящие через сферу фиксированного радиуса, в более поздние времена пересекают сферу медленнее.) ЧАС ( т ) ≡ а ˙ ( т ) / а ( т ) <\ Displaystyle Н (т) \ экв <\ точка <а>> (т) / а (т)> а <\ displaystyle a> а ˙ <\ displaystyle <\ dot >>

Об определении безразмерного параметра замедления

q ≡ — а ¨ а а ˙ 2 <\ Displaystyle д \ эквив - <\ гидроразрыва <<\ ddot <а>> \, а> <<\ точка <а>> ^ <2>>>> , следует, что d ЧАС d т знак равно — ЧАС 2 ( 1 + q ) <\ displaystyle <\ frac

> = — H ^ <2>(1 + q)>

Из этого видно, что параметр Хаббла уменьшается со временем, если только ; последнее может произойти только в том случае, если Вселенная содержит фантомную энергию , что теоретически считается маловероятным. q — 1 <\ displaystyle q

Тем не менее, в стандартной модели ΛCDM , будет иметь тенденцию к -1 сверху в отдаленном будущем как космологические становится все более доминирующей над материей; это означает, что сверху будет приближаться к постоянному значению км / с / Мпк, и тогда масштабный фактор Вселенной будет экспоненциально расти во времени. q <\ displaystyle q> ЧАС <\ displaystyle H> ≈ 57 год <\ displaystyle \ приблизительно 57>

Идеализированный закон Хаббла

Математический вывод идеализированного закона Хаббла для равномерно расширяющейся Вселенной представляет собой довольно элементарную теорему геометрии в трехмерном декартовом / ньютоновском координатном пространстве, которое, рассматриваемое как метрическое пространство , является полностью однородным и изотропным (свойства не меняются в зависимости от местоположения). или направление). Проще говоря, теорема такова:

Любые две точки, которые удаляются от начала координат, каждая по прямым линиям и со скоростью, пропорциональной расстоянию от начала координат, будут удаляться друг от друга со скоростью, пропорциональной их расстоянию друг от друга.

Фактически это применимо к недекартовским пространствам, если они локально однородны и изотропны, особенно к отрицательно и положительно искривленным пространствам, часто рассматриваемым как космологические модели (см. Форму Вселенной ).

Наблюдение, вытекающее из этой теоремы, состоит в том, что наблюдение за удаляющимися от нас объектами на Земле не является признаком того, что Земля находится близко к центру, от которого происходит расширение, а скорее то, что каждый наблюдатель в расширяющейся Вселенной будет видеть объекты, удаляющиеся от них.

Конечная судьба и возраст вселенной

Значение параметра Хаббла изменяется со временем, увеличиваясь или уменьшаясь в зависимости от значения так называемого параметра замедления , который определяется q <\ displaystyle q>

q знак равно — ( 1 + ЧАС ˙ ЧАС 2 ) . <\ displaystyle q = - \ left (1 + <\ frac <\ dot > >> \ right).>

Во Вселенной с параметром замедления, равным нулю, следует, что H = 1 / t , где t — время с момента Большого взрыва. Ненулевое, зависящее от времени значение просто требует интегрирования уравнений Фридмана в обратном направлении от настоящего времени до времени, когда размер сопутствующего горизонта был равен нулю. q <\ displaystyle q>

Долгое время считалось, что q было положительным, что указывало на то, что расширение замедляется из-за гравитационного притяжения. Это означало бы, что возраст Вселенной меньше 1 / H (что составляет около 14 миллиардов лет). Например, значение q , равное 1/2 (когда-то одобренное большинством теоретиков), даст возраст Вселенной как 2 / (3 H ). Открытие в 1998 году , что д — видимому , отрицательные означает , что Вселенная может быть на самом деле старше , чем 1 / H . Тем не менее, оценки возраста Вселенной очень близко к 1 / H .

Парадокс Ольберса

Расширение пространства, резюмируемое интерпретацией закона Хаббла в рамках теории Большого взрыва, имеет отношение к старой загадке, известной как парадокс Ольберса : если бы Вселенная была бесконечной по размеру, статичной и заполнена равномерным распределением звезд , тогда все лучи зрения в небо заканчивалось бы звездой, и небо было бы ярким, как поверхность звезды. Однако ночное небо в основном темное.

С 17 века астрономы и другие мыслители предложили множество возможных способов разрешения этого парадокса, но принятое в настоящее время решение частично зависит от теории Большого взрыва, а частично от расширения Хаббла: во Вселенной, существующей в ограниченном количестве Со временем только свет конечного числа звезд успел достичь нас, и парадокс разрешен. Кроме того, в расширяющейся Вселенной далекие объекты удаляются от нас, из-за чего исходящий от них свет смещается в красную сторону и становится менее ярким к тому времени, когда мы его видим.

Безразмерная постоянная Хаббла

Вместо работы с постоянной Хаббла обычно вводят безразмерную постоянную Хаббла , обычно обозначаемую h , и записывают постоянную Хаббла H ₀ как h × 100 км с −1 Мпк −1 , всю относительную неопределенность истинного значения из H ₀ затем понижается до h . Безразмерная постоянная Хаббла часто используется для определения расстояний, которые рассчитываются по красному смещению z по формуле d ≈ c / H ₀ × z . Поскольку H ₀ точно неизвестно, расстояние выражается как:

c z / ЧАС 0 ≈ ( 2998 × z ) Мпк час — 1 <\ displaystyle cz / H_ <0>\ приблизительно (2998 \ times z) <\ text > h ^ <- 1>>

Другими словами, вычисляется 2998 × z и единицы задаются как или Мпк час — 1 <\ displaystyle <\ text > h ^ <- 1>> час — 1 Мпк . <\ displaystyle h ^ <- 1><\ text >.>

Иногда может быть выбрано справочное значение, отличное от 100, и в этом случае после h ставится нижний индекс, чтобы избежать путаницы; например, h ₇₀ обозначает км с -1 Мпк -1 , что подразумевает . ЧАС 0 знак равно 70 час 70 <\ displaystyle H_ <0>= 70 \, h_ <70>> час 70 знак равно час / 0,7 <\ displaystyle h_ <70>= h / 0,7>

Это не следует путать с безразмерным значением постоянной Хаббла, обычно выражаемой в единицах Планка , полученным путем умножения H ₀ на 1,75 × 10 −63 (из определений парсек и t _P ), например, для H ₀ = 70, получается вариант единицы Планка 1.2 × 10 −61 .

Определение постоянной Хаббла

Значение постоянной Хаббла оценивается путем измерения красного смещения далеких галактик и последующего определения расстояний до них каким-либо другим методом, кроме закона Хаббла. Этот подход является частью лестницы космических расстояний для измерения расстояний до внегалактических объектов. Неопределенности в физических допущениях, используемых для определения этих расстояний, привели к различным оценкам постоянной Хаббла.

Наблюдения астронома Вальтера Бааде привели его к определению различных « популяций » звезд (Население I и Население II). Те же наблюдения привели его к открытию, что существует два типа переменных звезд цефеид. Используя это открытие, он пересчитал размер известной Вселенной, удвоив предыдущий расчет, сделанный Хабблом в 1929 году. Он объявил об этом открытии, к значительному изумлению, на встрече Международного астрономического союза в 1952 году в Риме.

В октябре 2018 года ученые представили новый третий способ (два более ранних метода, один из которых основан на красных смещениях, а другой — на лестнице космических расстояний, дали результаты, которые не совпадают), с использованием информации о гравитационно-волновых событиях (особенно тех, которые связаны с слиянием нейтронных звезд). , как GW170817 ), определения постоянной Хаббла.

В июле 2019 года астрономы сообщили, что после обнаружения слияния нейтронных звезд GW170817 был предложен новый метод определения постоянной Хаббла и устранения расхождений с более ранними методами, основанный на слиянии пар нейтронных звезд. известная как темная сирена . Их измерение постоянной Хаббла 73,3 +5,3
−5,0 (км / с) / Мпк.

Также в июле 2019 года астрономы сообщили о другом новом методе, использующем данные космического телескопа Хаббла и основанном на расстояниях до звезд красных гигантов, рассчитанных с использованием индикатора расстояния ветви красных гигантов (TRGB). Их измерение постоянной Хаббла 69,8 +1,9
-1,9 (км / с) / Мпк.

Предыдущие подходы к измерению и обсуждению

На протяжении большей части второй половины 20-го века значение составляло от 50 до 90 (км / с) / Мпк . ЧАС 0 <\ displaystyle H_ <0>>

Значение постоянной Хаббла было темой долгого и довольно ожесточенного спора между Жераром де Вокулёром , который утверждал, что значение составляет около 100, и Алланом Сэндиджем , который утверждал, что значение было около 50. В 1996 году дебаты модерировал Джон Бахколл. между Сиднеем ван ден Бергом и Густавом Тамманном проходил аналогично более ранним дебатам Шепли-Кертиса по поводу этих двух конкурирующих ценностей.

Эта ранее значительная разница в оценках была частично устранена с введением в конце 1990-х годов модели Вселенной ΛCDM. С помощью модели ΛCDM наблюдения скоплений с большим красным смещением в рентгеновском и микроволновом диапазонах с использованием эффекта Сюняева – Зельдовича , измерения анизотропии космического микроволнового фонового излучения и оптические обзоры дали значение константы около 70.

Более поздние измерения миссии Planck, опубликованные в 2018 году, указывают на более низкое значение 67,66 ± 0,42 , хотя даже совсем недавно, в марте 2019 г., более высокое значение 74,03 ± 1,42 было определено с использованием усовершенствованной процедуры с использованием космического телескопа Хаббл. Эти два измерения расходятся на уровне 4,4 σ , за пределами вероятного уровня случайности. Разрешение этого разногласия — постоянная область исследований.

См. Таблицу измерений ниже для многих недавних и более старых измерений.

Ускорение расширения

Значение, полученное при стандартных наблюдениях за сверхновыми типа Ia со свечой , которое в 1998 году было определено как отрицательное, удивило многих астрономов, сделав вывод о том, что расширение Вселенной в настоящее время «ускоряется» (хотя фактор Хаббла все еще уменьшается со временем, как упоминалось выше в разделе « Интерпретация »; см. статьи о темной энергии и модели ΛCDM ). q <\ displaystyle q>

Вывод параметра Хаббла.

ЧАС 2 ≡ ( а ˙ а ) 2 знак равно 8 π грамм 3 ρ — k c 2 а 2 + Λ c 2 3 , <\ Displaystyle H ^ <2>\ Equiv \ left (<\ frac <\ dot > > \ right) ^ <2>= <\ frac <8 \ pi G><3>> \ rho — <\ frac > >> + <\ frac <\ Lambda c ^ <2>> <3>>,>

где — параметр Хаббла, — масштабный коэффициент , G — гравитационная постоянная , — нормализованная пространственная кривизна Вселенной, равная -1, 0 или 1, и — космологическая постоянная. ЧАС <\ displaystyle H> а <\ displaystyle a> k <\ displaystyle k> Λ <\ displaystyle \ Lambda>

Вселенная, в которой преобладает материя (с космологической постоянной)

Если во Вселенной преобладает материя , то массовая плотность Вселенной может просто включать материю, так что ρ <\ displaystyle \ rho>

ρ знак равно ρ м ( а ) знак равно ρ м 0 а 3 , <\ displaystyle \ rho = \ rho _ (a) = <\ frac <\ rho _ >> >>,>

где плотность материи сегодня. Из уравнения Фридмана и принципов термодинамики мы знаем, что для нерелятивистских частиц их массовая плотность уменьшается пропорционально обратному объему Вселенной, поэтому приведенное выше уравнение должно быть верным. Мы также можем определить (см. Параметр плотности для ) ρ м 0 <\ displaystyle \ rho _ <м_ <0>>> Ω м <\ displaystyle \ Omega _ >

ρ c знак равно 3 ЧАС 0 2 8 π грамм ; <\ displaystyle \ rho _ = <\ frac <3H_ <0>^ <2>> <8 \ pi G>>;> Ω м ≡ ρ м 0 ρ c знак равно 8 π грамм 3 ЧАС 0 2 ρ м 0 ; <\ displaystyle \ Omega _ \ Equiv <\ frac <\ rho _ >> <\ rho _ >> = <\ frac <8 \ pi G> <3H_ <0>^ <2>>> \ rho _ >;>

ρ знак равно ρ c Ω м а 3 . <\ displaystyle \ rho = <\ frac <\ rho _ \ Omega _ > >>.>

Также по определению

Ω k ≡ — k c 2 ( а 0 ЧАС 0 ) 2 <\ displaystyle \ Omega _ \ Equiv <\ frac <-kc ^ <2>> <(a_ <0>H_ <0>) ^ <2>>>> Ω Λ ≡ Λ c 2 3 ЧАС 0 2 , <\ displaystyle \ Omega _ <\ Lambda>\ Equiv <\ frac <\ Lambda c ^ <2>> <3H_ <0>^ <2>>>,>

где нижний индекс ноль относится к сегодняшним значениям, а . Подставляя все это в уравнение Фридмана в начале этого раздела и заменяя его на, дает а 0 знак равно 1 <\ displaystyle a_ <0>= 1> а <\ displaystyle a> а знак равно 1 / ( 1 + z ) <\ Displaystyle а = 1 / (1 + z)>

ЧАС 2 ( z ) знак равно ЧАС 0 2 ( Ω м ( 1 + z ) 3 + Ω k ( 1 + z ) 2 + Ω Λ ) . <\ displaystyle H ^ <2>(z) = H_ <0>^ <2>\ left (\ Omega _ (1 + z) ^ <3>+ \ Omega _ (1 + z) ^ <2>+ \ Omega _ <\ Lambda>\ right).>

Вселенная с преобладанием материи и темной энергии

Если во Вселенной преобладает как материя, так и темная энергия, то приведенное выше уравнение для параметра Хаббла также будет функцией уравнения состояния темной энергии . А сейчас:

ρ знак равно ρ м ( а ) + ρ d е ( а ) , <\ Displaystyle \ ро = \ ро _ <м>(а) + \ ро _ <де>(а),>

где — массовая плотность темной энергии. По определению, уравнение состояния в космологии есть , и если его подставить в уравнение жидкости, которое описывает, как массовая плотность Вселенной изменяется со временем, тогда ρ d е <\ displaystyle \ rho _ > п знак равно ш ρ c 2 <\ Displaystyle P = вес \ ро с ^ <2>>

ρ ˙ + 3 а ˙ а ( ρ + п c 2 ) знак равно 0 ; <\ displaystyle <\ dot <\ rho>> + 3 <\ frac <\ dot > > \ left (\ rho + <\ frac

>> \ right) = 0;> d ρ ρ знак равно — 3 d а а ( 1 + ш ) . <\ displaystyle <\ frac <\ rho>> = — 3 <\ frac > (1 + w).>

Если w постоянно, то

пер ⁡ ρ знак равно — 3 ( 1 + ш ) пер ⁡ а ; <\ Displaystyle \ ln <\ rho>= — 3 (1 + w) \ ln ;>

ρ знак равно а — 3 ( 1 + ш ) . <\ displaystyle \ rho = a ^ <- 3 (1 + w)>.>

Таким образом, для темной энергии с постоянным уравнением состояния ш , . Если это подставить в уравнение Фридмана таким же образом, как и раньше, но на этот раз , который предполагает пространственно плоскую Вселенную, тогда (см. Форму Вселенной ) ρ d е ( а ) знак равно ρ d е 0 а — 3 ( 1 + ш ) <\ Displaystyle \ rho _ (a) = \ rho _ a ^ <- 3 (1 + w)>> k знак равно 0 <\ displaystyle k = 0>

ЧАС 2 ( z ) знак равно ЧАС 0 2 ( Ω м ( 1 + z ) 3 + Ω d е ( 1 + z ) 3 ( 1 + ш ) ) . <\ Displaystyle H ^ <2>(z) = H_ <0>^ <2>\ left (\ Omega _ (1 + z) ^ <3>+ \ Omega _ (1 + z) ^ <3 (1 + w)>\ right).>

Если темная энергия происходит от космологической постоянной, такой как введенная Эйнштейном, это можно показать . Затем уравнение сводится к последнему уравнению в разделе вселенной, где преобладает материя, с установленным на ноль. В этом случае начальная плотность темной энергии определяется выражением ш знак равно — 1 <\ displaystyle w = -1> Ω k <\ displaystyle \ Omega _ > ρ d е 0 <\ displaystyle \ rho _ >

ρ d е 0 знак равно Λ c 2 8 π грамм <\ displaystyle \ rho _ = <\ frac <\ Lambda c ^ <2>> <8 \ pi G>>> а также Ω d е знак равно Ω Λ . <\ displaystyle \ Omega _ = \ Omega _ <\ Lambda>.>

Если темная энергия не имеет постоянного уравнения состояния w, то

ρ d е ( а ) знак равно ρ d е 0 е — 3 ∫ d а а ( 1 + ш ( а ) ) , <\ displaystyle \ rho _ (a) = \ rho _ e ^ <- 3 \ int <\ frac > \ left (1 + w (a) \ right)>, >

и чтобы решить эту проблему, он должен быть параметризован, например, если , давая ш ( а ) <\ Displaystyle ш (а)> ш ( а ) знак равно ш 0 + ш а ( 1 — а ) <\ Displaystyle ш (а) = ш_ <0>+ ш_ <а>(1-а)>

ЧАС 2 ( z ) знак равно ЧАС 0 2 ( Ω м а — 3 + Ω d е а — 3 ( 1 + ш 0 + ш а ) е 3 ш а а ) . <\ displaystyle H ^ <2>(z) = H_ <0>^ <2>\ left (\ Omega _ a ^ <- 3>+ \ Omega _ a ^ <- 3 \ left ( 1 + w_ <0>+ w_ \ right)> e ^ <3w_ a> \ right).>

Другие ингредиенты были разработаны недавно.

Единицы, полученные из постоянной Хаббла

Время Хаббла

Постоянная Хаббла имеет обратное время; время Хаббла t _H просто определяется как величина, обратная постоянной Хаббла, т. е. ЧАС 0 <\ displaystyle H_ <0>>

т ЧАС ≡ 1 ЧАС 0 знак равно 1 67,8 (км / с) / Мпк знак равно 4,55 ⋅ 10 17 s знак равно 14,4 миллиард лет . <\ displaystyle t_ \ Equiv <\ frac <1>>> = <\ frac <1><67,8 <\ textrm <(км / с) / Mpc>>>> = 4,55 \ cdot 10 ^ <17><\ textrm > = 14,4 <\ text <миллиард лет>>.>

Это немного отличается от возраста Вселенной, который составляет примерно 13,8 миллиарда лет. Время Хаббла — это возраст, который у него был бы, если бы расширение было линейным, и оно отличается от реального возраста Вселенной, потому что расширение не линейное; они связаны безразмерным фактором, который зависит от массово-энергетического содержания Вселенной, которое составляет около 0,96 в стандартной модели ΛCDM.

В настоящее время мы, кажется, приближаемся к периоду, когда расширение Вселенной будет экспоненциальным из-за возрастающего преобладания энергии вакуума . В этом режиме параметр Хаббла постоянен, и Вселенная растет в е раз каждый хаббловский раз:

ЧАС ≡ а ˙ а знак равно постоянный ⟹ а ∝ е ЧАС т знак равно е т т ЧАС <\ Displaystyle H \ Equiv <\ frac <\ dot > > = <\ textrm > \ quad \ Longrightarrow \ quad a \ propto e ^ = e ^ <\ frac >>>

Точно так же общепринятое значение 2,27 Es −1 означает, что (при нынешней скорости) Вселенная будет расти с коэффициентом в одну экзасекунду . е 2,27 <\ displaystyle e ^ <2.27>>

Как объяснялось выше, в течение длительных периодов времени динамика осложняется общей теорией относительности, темной энергией, инфляцией и т. Д.

Длина Хаббла

Длина Хаббла или расстояние Хаббла — это единица расстояния в космологии, определяемая как — скорость света, умноженная на время Хаббла. Это эквивалентно 4550 миллионам парсеков или 14,4 миллиардам световых лет. (Числовое значение длины Хаббла в световых годах по определению равно значению времени Хаббла в годах.) Хаббловское расстояние — это расстояние между Землей и галактиками, которые в настоящее время удаляются от нас со скоростью свет, как можно видеть путем подстановки в уравнение для закона Хаббла, V = H ₀ D . c ЧАС 0 — 1 <\ displaystyle cH_ <0>^ <- 1>> D знак равно c ЧАС 0 — 1 <\ displaystyle D = cH_ <0>^ <- 1>>

Объем Хаббла

Объем Хаббла иногда определяется как объем Вселенной с сопутствующим размером, равным 1. Точное определение варьируется: иногда его определяют как объем сферы с радиусом или, альтернативно, как куб со стороны. Некоторые космологи даже используют термин объем Хаббла для обозначения относятся к объему наблюдаемой Вселенной , хотя его радиус примерно в три раза больше. c ЧАС 0 — 1 . <\ displaystyle cH_ <0>^ <- 1>.> c ЧАС 0 — 1 , <\ displaystyle cH_ <0>^ <- 1>,> c ЧАС 0 — 1 . <\ displaystyle cH_ <0>^ <- 1>.>

Измеренные значения постоянной Хаббла

Для определения постоянной Хаббла использовалось несколько методов. Измерения «поздней вселенной» с использованием методов калиброванной лестницы расстояний сошлись на значении приблизительно 73 км / с / Мпк . С 2000 года стали доступны методы «ранней вселенной», основанные на измерениях космического микроволнового фона, и они согласуются со значением, близким к 67,7 км / с / Мпк . (Это объясняет изменение скорости расширения со времен ранней Вселенной, поэтому сравнимо с первым числом.) По мере совершенствования методов оценочные погрешности измерений уменьшились, но диапазон измеренных значений не уменьшился до такой степени, что разногласия теперь статистически значимы . Это несоответствие называется напряжением Хаббла .

По состоянию на 2020 год причина несоответствия не выяснена. В апреле 2019 года астрономы сообщили о дальнейших существенных расхождениях между различными методами измерения в значениях постоянной Хаббла, что, возможно, свидетельствует о существовании новой области физики, которая в настоящее время недостаточно изучена. К ноябрю 2019 года это напряжение настолько выросло, что некоторые физики, такие как Джозеф Силк, стали называть его «возможным кризисом космологии», поскольку наблюдаемые свойства Вселенной кажутся несовместимыми. В феврале 2020 года проект Megamaser Cosmology Project опубликовал независимые результаты, которые подтвердили результаты лестницы расстояний и отличались от результатов ранней Вселенной на уровне статистической значимости 95%. В июле 2020 года измерения космического фонового излучения Космологическим телескопом Атакама предсказывают, что Вселенная должна расширяться медленнее, чем наблюдается в настоящее время.

Источник