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
Закон Хаббла
Из Википедии — свободной энциклопедии
Зако́н Ха́ббла (закон всеобщего разбегания галактик) — космологический закон, описывающий расширение Вселенной. В статьях и научной литературе в зависимости от её специализации и даты публикаций он формулируется по-разному [1] [2] [3] .
v = H 0 r , <\displaystyle v=H_<0>r,> 
Однако в современных работах наблюдателей эта зависимость принимает вид
c z = H 0 r , <\displaystyle cz=H_<0>r,>
где с — скорость света, а z — красное смещение. Также, последнее является стандартным обозначением расстояния во всех современных космологических работах.
Третий вид закона Хаббла можно встретить в теоретических публикациях:
H = a ˙ ( t 1 ) a ( t 1 ) , <\displaystyle H=<\frac <<\dot >(t_<1>)>
Закон Хаббла является одним из основных наблюдаемых фактов в космологии. С его помощью можно примерно оценить время расширения Вселенной (так называемый Хаббловский возраст Вселенной):
t H = r V = 1 H 0 . <\displaystyle t_
Эта величина с точностью до численного множителя порядка единицы соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.
Источник
Постоянная Хаббла и возраст Вселенной
Каков возраст Вселенной? После многолетних ожесточенных споров некоторые астрономы пришли к выводу, что они установили это число — с точностью примерно 10 %. По их оценкам, Вселенной или около 12, или около 13,5 миллиарда лет. Первая цифра означает, что Вселенная будет расширяться вечно, но все медленнее и медленнее, а вторая — что какая-то таинственная сила ускоряет расширение Вселенной (см. раздел «Темная энергия: расширение ускоряется?» выше в этой главе) [39] .
Насколько быстро движутся галактики?
Оценки возраста Вселенной в значительной степени зависят от числа, которое занимало астрономов в течение десятилетий, — это постоянная Хаббла, представляющая собой скорость расширения Вселенной в настоящее время. Поиски этого числа начались в 1929 году, когда астроном Эдвин Хаббл обнаружил доказательства того, что мы живем в расширяющейся Вселенной. В частности, он сделал замечательное открытие: все далекие галактики (находящиеся за пределами Местной Группы Галактик, о которой говорилось в главе 12), похоже, удаляются от нашей родной галактики, Млечного Пути.
При этом Хаббл обнаружил, что чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Представим, например, две галактики, одна из которых в 2 раза дальше от Млечного Пути, чем другая. Так вот: галактика, которая в 2 раза дальше, удаляется в 2 раза быстрее. (По общей теории относительности Эйнштейна сами галактики не движутся; расширяется ткань пространства, в которую они включены.) Это соотношение называется законом Хаббла.
Коэффициент, связывающий расстояние до галактики со скоростью ее удаления, называется постоянной Хаббла и обозначается Н0. Другими словами, скорость удаления галактики равна H0, умноженной на расстояние до галактики. Таким образом, Н0 выражает собой степень скорости расширения Вселенной и, следовательно, определяет ее возраст.
Постоянная Хаббла измеряется в километрах в секунду на мегапарсек. (Один мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет.) После многолетних исследований астрономам с помощью телескопа «Хаббл» (обсерватория, находящаяся на орбите Земли и названная в честь Эдвина Хаббла) недавно удалось установить значение постоянной Хаббла. Они сообщили, что она примерно равна 70 (км/с)/Мпс. Это означает, что галактика, находящаяся на расстоянии примерно 30 мегапарсеков (около 100 миллионов световых лет) от Земли, удаляется от нас со скоростью 2100 км/с.
Непостоянная постоянная?
Но постоянная Хаббла на самом деле может вовсе и не быть постоянной. Причины этого следующие: взаимное гравитационное притяжение галактик могло замедлить расширение, которое началось после Большого Взрыва, или какая-то таинственная космическая энергия недавно его ускорила. Скорость расширения в прошлом могла быть другой. Аналогично, величина, обратная постоянной Хаббла, (т. е. 1/H0), — так называемый хаббловский возраст (Hubble age) — может указывать на возраст Вселенной, если с момента Большого Взрыва скорость расширения была постоянной.
Ученые вычисляют величину Н0 делением скорости движения галактик на расстояние до них. Скорость получить просто: астрономы анализируют длины световых волн, излучаемых или поглощаемых галактикой. Свет от объекта, который удаляется от Земли, смещается в красную область спектра, т. е. в область больших длин волн. Чем больше красное смещение, тем быстрее удаляется от нас галактика.
А вот измерить расстояние до галактики гораздо труднее.
Чтобы точно измерить скорость расширения Вселенной, астрономы должны оценить расстояние до очень отдаленных галактик, находящихся на расстоянии 600 миллионов (или больше) световых лет от Земли. На меньших расстояниях расширению частично противодействует гравитационное притяжение галактик, которые находятся сравнительно недалеко от Млечного Пути.
Но у астрономов нет абсолютно надежного способа непосредственного измерения расстояний до отдаленных галактик. Вместо этого им приходится довольствоваться разнообразными косвенными методами. Делая калибровку расстояния до соседних галактик, а затем двигаясь дальше, шаг за шагом, к более отдаленным галактикам, астрономы постепенно, по кусочкам, составляют «измерительную линейку» для Вселенной.
Источник
Постоянная Хаббла возвращает различные результаты по неизвестной причине
Пока существовала Вселенная — пространство расширялось. Она возникла примерно 13,8 миллиарда лет назад и с тех пор надувается, как гигантский космический шар.
Текущая скорость этого расширения называется постоянной Хаббла или H0, и это одно из фундаментальных измерений Вселенной.
Если вы знаете постоянную Хаббла, вы можете рассчитать возраст Вселенной. Вы можете рассчитать размер Вселенной. Вы можете более точно рассчитать влияние таинственной темной энергии, которая движет расширением Вселенной. И, забавный факт, H0 — одно из значений, необходимых для расчета межгалактических расстояний.
Однако есть огромная проблема. У нас есть несколько высокоточных методов определения постоянной Хаббла . и эти методы продолжают возвращать разные результаты по неизвестной причине.
Это может быть проблема с калибровкой наших методов измерения, которые мы используем для выяснения космических расстояний (подробнее о них чуть позже). Это может быть и какое-то неизвестное свойство темной энергии.
Или, возможно, наше понимание фундаментальной физики неполно. Чтобы решить эту проблему, вполне может потребоваться прорыв, за который полагаются Нобелевские премии.
Итак, с чего начнем?
Основы
Художественное представление распределения темной материи во Вселенной. Фото: NASA
Постоянная Хаббла обычно выражается с помощью необычной комбинации единиц измерения расстояния и времени — километров в секунду на мегапарсек или (км/с) / Мпк; мегапарсек составляет около 3,3 миллиона световых лет.
Эта комбинация необходима, потому что расширение Вселенной ускоряется. То, что находится дальше от нас, кажется, удаляется быстрее. Гипотетически, если бы мы обнаружили, что галактика на расстоянии 1 мегапарсека удалялась со скоростью 10 км/с, а галактика на расстоянии 10 мегапарсек, казалось, удалялась со скоростью 100 км/с, мы могли бы описать это соотношение как 10 км/с на мегапарсек.
Другими словами, определение пропорционального соотношения между тем, насколько быстро галактики удаляются от нас (км/с) и насколько они далеко (Мпк), дает нам значение H0.
Если бы только был простой способ все это измерить.
Космологи разработали несколько способов определения постоянной Хаббла, но есть два основных метода. В них используются либо стандартные линейки, либо стандартные свечи.
Скорость и расстояние (из бумаг Хаббла 1929 года).
Стандартные линейки основаны на сигналах времен ранней Вселенной, названных Эпохой рекомбинации. После Большого взрыва Вселенная была такой горячей и плотной, что атомы не могли образоваться. Вместо этого существовал только горячий непрозрачный плазменный туман и после примерно 380 000 лет охлаждения и расширения эта плазма наконец начала рекомбинировать в атомы.
Мы полагаемся на два сигнала из этого периода. Первый — космический микроволновый фон (CMB) — свет, вышедший из плазменного тумана, когда материя рекомбинировала, и пространство стало прозрачным. Первый свет — пока слабый — все еще равномерно заполняет Вселенную во всех направлениях.
Колебания температуры реликтового излучения представляют собой расширения и сжатия в ранней Вселенной и должны быть включены в расчеты, которые позволят нам сделать вывод об истории расширения нашей Вселенной.
Второй сигнал называется барионными акустическими колебаниями, и он является результатом сферических акустических волн плотности, которые распространялись через плазменный туман ранней Вселенной и останавливались в Эпоху рекомбинации.
Расстояние, которое акустическая волна могла пройти за этот период времени, составляет примерно 150 мегапарсек; это обнаруживается в изменениях плотности на протяжении всей истории Вселенной, обеспечивая «линейку» для измерения расстояний.
Стандартные свечи, с другой стороны, измеряют расстояние, основанное на объектах в локальной Вселенной. Это не могут быть просто старые звезды или галактики — они должны быть объектами с известной внутренней яркостью, такими как сверхновые типа Ia, переменные звезды цефеид или звезды на вершине ветви красных гигантов.
«Когда вы смотрите на звезды в небе, вы можете очень точно измерить их положение слева и справа, вы можете очень точно указать на них, но вы не можете сказать, как далеко они находятся», — сообщает астрофизик Тамара Дэвис из Университет Квинсленда в Австралии. «Действительно, трудно отличить что-то действительно яркое от далекого или что-то слабое и близкое. Таким образом, люди измеряют это, чтобы найти нечто стандартное. Стандартная свеча — это нечто известной яркости».
И стандартные линейки, и стандартные свечи настолько точны, насколько это возможно. И оба они возвращают разные результаты при использовании для вычисления постоянной Хаббла.
Согласно стандартным правителям, то есть ранней Вселенной, H0 составляет около 67 километров в секунду на мегапарсек. Для стандартных свечей — локальной Вселенной — это около 74 километров в секунду на мегапарсек.
Ни у одного из этих результатов не может быть допустимой погрешности, которая может даже приблизиться к сокращению разрыва между ними.
История разрыва
Астрономы Александр Фридман и Жорж Леметр впервые заметили, что Вселенная расширяется еще в 1920-х годах. К 1929 году Эдвин Хаббл рассчитал скорость расширения на основе стандартных свечей, называемых переменными звездами цефеид, которые периодически меняются по яркости. Поскольку время изменчивости связано с внутренней яркостью этих звезд, они являются отличным инструментом для измерения расстояний.
Но калибровка расстояний была не совсем правильной, что привело к измерению космических расстояний. Таким образом, первые расчеты вернули H0 около 500 километров в секунду на мегапарсек.
«И сразу возникла проблема, поскольку геологи, изучающие Землю, знали, что Земле около 4 миллиардов лет», — сказала Дэвис.
«Если вы рассчитали скорость расширения как 500 км/с, вы можете подсчитать, сколько времени потребовалось бы, чтобы достичь нынешнего размера Вселенной, и это было бы около 2 миллиардов лет. Это означало, что Земля была старше Вселенной — что невозможно».
Такой постоянная Хаббла оставалась примерно до 1950-х годов, когда немецкий астроном Вальтер Бааде обнаружил, что существует два типа переменных звезд-цефеид, что позволило уточнить расчет постоянной Хаббла. Он был снижен до 100 (км/с) / Мпк.
По мере того, как наши технологии, методы и понимание становились все более совершенными, росли и вычисления постоянной Хаббла, а также наша уверенность в них.
«Раньше у нас была погрешность плюс-минус 50», — сказала Дэвис, — «Теперь у нас есть планки погрешностей плюс-минус 1 или 2. Поскольку измерения стали настолько хорошими, то эти методы теперь достаточно разные, и их трудно объяснить ошибками измерений».
Сегодня разница между двумя значениями, известная как напряжение Хаббла, может показаться не очень большой величиной — всего 9,4%.
Но космологам еще предстоит выяснить, в чем причина этого несоответствия. Наиболее очевидной проблемой будет проблема калибровки, но ее источник остается неуловимым.
Несколько разных команд, например, вычислили H0 из реликтового излучения на основе измерений, полученных космической обсерваторией Planck. Возможно, проблема заключается в нашей интерпретации данных. Но исследование реликтового излучения 2019 года, проведенное другим инструментом, Космологическим телескопом Атакама, согласилось с данными Planck.
Кроме того, расчеты H0 по барионным акустическим колебаниям, измеренным совершенно другим прибором, Sloan Digital Sky Survey, дали тот же результат.
Возможно, наши стандартные свечи тоже сбивают нас с пути. Эти объекты сгруппированы по ступеням, образуя «лестницу космических расстояний». Во-первых, параллакс — то, как близкие звезды, кажется, меняют положение относительно более далеких звезд, — используется для проверки расстояний до двух типов переменных звезд.
Следующий шаг в сторону от переменных звезд — внегалактические сверхновые типа Ia. Это похоже на подъем по лестнице все дальше и дальше в космос, и «даже крошечная ошибка на одной из ступеней может позже перерасти в большую ошибку», — отметила Дэвис.
Другие попытки решить проблему связаны с осмыслением самого пространства, которое нас окружает.
Гипотеза пузыря Хаббла, например, основана на идее, что Млечный Путь расположен в «пузыре» относительно низкой плотности во Вселенной, окруженном материалом более высокой плотности. Гравитационный эффект этого материала с более высокой плотностью будет притягивать пространство внутри пузыря, в результате чего локальное пространство расширяется с большей скоростью, чем ранняя Вселенная.
Однако даже если бы все вышеперечисленное действительно усугубляло проблему, это вряд ли дало бы 9,4% несоответствия.
«Люди были весьма изобретательны, придумав возможные пути, по которым методы могут не состыковываться. И до сих пор никто убедительно не утверждал, что какая-то конкретная ошибка может объяснить различия, которые мы видим», — сообщает космолог Мэтью Коллесс из Австралийского национального университета. «Возможно, что целая куча разных мелких ошибок выстроилась в одну линию; но эти источники ошибок не связаны друг с другом. Было бы очень удивительно и крайне неудачно, если бы так случилось. И что все ошибки различного типа мы сделали, все накапливались в одном направлении и повели в одну сторону».
Может быть, виновата физика?
Практически во всех других отношениях наши космологические модели работают замечательно. Таким образом, если вы попытаетесь изменить один из основных компонентов постоянной Хаббла, что-то еще может сломаться.
«Вы можете изменить стандартную линейку», — сказал Коллесс, — «Но затем вы нарушите некоторые другие сделанные наблюдения — количество материи во Вселенной, масса нейтрино — и другие подобные вещи, хорошо измеренные и объясненные текущей моделью, но нарушенные изменениями, которые необходимо внести, чтобы «исправить» стандартную линейку».
Что приводит к чему? Это проблема . фундаментальной физики?
«Я вполне обоснованно полагаю, что это, скорее всего, ошибка», — отметила Дэвис, — «Но действительно трудно объяснить, откуда могла взяться эта ошибка в текущих измерениях. Это интригующее расхождение. И действительно интересно попытаться выяснить — почему так случилось».
Напряжение Хаббла — скользкая проблема, бросающая вызов любой попытке найти решение, которое могут придумать космологи.
Возможно, есть что-то, чего не учитывает общая теория относительности. Это было бы дико: теория Эйнштейна выдержала одно испытание за другим, но мы не можем сбрасывать со счетов такую возможность.
Естественно, есть и другие возможности, например неизвестная темная энергия. Мы не знаем, что такое темная энергия, но, похоже, это фундаментальная сила, ответственная за отрицательное давление, ускоряющее расширение нашей Вселенной.
«Наша единственная смутная идея состоит в том, что это космологическая постоянная Эйнштейна, энергия вакуума», — сказал Коллесс, — «Но мы действительно не знаем, как это работает, потому что у нас нет убедительного способа предсказать, каким должно быть значение космологической постоянной».
С другой стороны, это может быть некоторая дыра в нашем понимании гравитации, хотя «новая физика, которая влияет на фундаментальную и общую теорию относительности, встречается крайне редко», — отметил Коллесс.
«Если бы появилась новая физика и если бы она потребовала модификации общей теории относительности, это определенно стало бы прорывом в области физики на уровне Нобелевской премии».
Единственный путь вперед
Будь то ошибка калибровки, огромная ошибка в нашем нынешнем понимании физики или что-то еще, есть только один путь вперед, если мы собираемся исправить постоянную Хаббла — заниматься наукой.
Во-первых, космологи могут работать с текущими данными, которые у нас уже есть, по стандартным свечам и стандартным линейкам, дополнительно уточняя их и еще больше сокращая планки ошибок. В дополнение к этому мы также можем получить новые данные.
Коллесс, например, работает над проектом в Австралии, используя передовой инструмент TAIPAN, недавно установленный в обсерватории Сайдинг-Спринг. Эта команда будет исследовать миллионы галактик в локальной Вселенной, чтобы измерить барионные акустические колебания как можно ближе к нам, чтобы учесть любые проблемы измерения, вызванные расстоянием.
«Мы собираемся измерить 2 миллиона очень близких галактик — по всему Южному полушарию и немного в Северном полушарии — настолько близко, насколько это возможно, чтобы найти сигнал барионных акустических колебаний и измерить этот масштаб с точностью до 1%».
Итак, если TAIPAN даст тот же объем, возвращающий H0, равный 67 километрам в секунду на мегапарсек, проблема может заключаться в наших стандартных свечах.
С другой стороны, если результаты будут ближе к 74 километрам в секунду на мегапарсек, это будет означать, что стандартные свечи более надежны.
Новые области исследований также возможны: не стандартные свечи или стандартные линейки, а стандартные сирены, основанные на гравитационно-волновой астрономии — ряби в пространстве-времени, распространяемой массивными столкновениями между черными дырами и нейтронными звездами.
По-прежнему трудно измерить постоянную Хаббла с помощью гравитационных волн. Но первоначальные расчеты многообещающие. В 2017 году столкновение нейтронных звезд позволило астрономам сузить его до примерно 70 (км/с) / Мпк с полосами ошибок, достаточно большими с обеих сторон, чтобы покрыть как 67, так и 74, а затем и некоторые из них.
Это, по словам Дэвис, было потрясающе.
«Сейчас мы измерили тысячи сверхновых», — сказала она, — «Измерили миллионы галактик, чтобы получить данные барионных акустических колебаний. Мы обследовали все небо, чтобы измерить космический микроволновый фон. И этот единственный объект, это одно измерение гравитационной волны, имеет планку погрешности около 10%, что потребовало десятилетий работы над другими зондами».
Гравитационно-волновая астрономия все еще находится в зачаточном состоянии — это лишь вопрос времени, когда мы обнаружим достаточно столкновений нейтронных звезд, чтобы уточнить результаты. Если повезет, это поможет выявить причину напряженности Хаббла.
В любом случае, это войдет в историю. Новая физика, конечно, была бы потрясающей, но ошибка в шкале расстояний потрясла бы астрономию. Это может означать, что мы чего-то не понимаем о сверхновых типа Ia или о том, как развиваются звезды.
Каким бы образом он не исчез, решение проблемы напряженности Хаббла окажет влияние на всю астрономическую науку.
«Вот почему космологи так взволнованы этим. Поскольку космологическая теория работает так хорошо, мы так взволнованы, когда находим что-то, что она не может предсказать. Потому что, когда что-то ломается, именно тогда вы учитесь», — сказал Коллесс. «Наука — это метод проб и ошибок, и именно в этой ошибке вы узнаете что-то новое».
Источник