Теория расширения Вселенной и законы Хаббла
Об американском астрономе Эдвине Хаббле (1889—1953) слышали абсолютно все: его именем назван телескоп, летающий в космосе и передающий прямо оттуда фото разнообразных космических объектов и разноцветных причудливых туманностей. Однако мало кому известно, почему телескоп получил фамилию именно этого ученого, а ведь Хаббл и был тем кто открыт другие галактики (помимо нашего Млечного Пути) и высказал догадку о расширении Вселенной.
В начале 1920-х Хаббл работал в калифорнийской обсерватории Маунт-Вильсон расположенной почти на двухкилометровом возвышении и оборудованной мощным телескопом с 2.5-метровым зеркальным объективом. Разглядывая три разные туманности — Андромеды. Треугольника и Барнарда — молодой ученый высмотрел там отдельные звездочки и пришел к ошеломительному заключению: эти облака — не просто аморфные скопления газа и пыли, а целые галактики, подобные Млечному Пути! Ориентируясь на звезды, систематически меняющие яркость. Хаббл сумел определить расстояние до найденных галактик и заключить что они больше Млечного Пути. Данное открытие сразу же принесло Хабблу известность и уважение в научных кругах, а потом он сделал еще одно— и прославился на весь мир. Речь идет о законе, также названном в его честь — законе красного смешения.
В 1914 г. соотечественник Хаббла, Весто Слайфер, обнаружил, что в спектрах излучений галактик часто происходят сдвиги темных полос, демонстрирующих поглощение той или иной электромагнитной волны какими-либо химическими элементами. Сдвиг в сторону красных волн получил название красного смещения, а сдвиг в фиолетовую сторону был назван синим смещением. Слайфер определил степень смешения для разных галактик, а Хаббл вычислил расстояния до них и сравнил свои данные с данными коллеги. Все говорило о том что смешение напрямую зависит от отдаленности галактики: чем дальше она от Земли, тем больше черных линий концентрируется в красном поле спектра.
Вместе с тем Хаббл предположил, что с расстоянием скорость отдаления галактик повышается, а значит, линии в спектре должны смещаться еще больше. Ученый даже нашел формулу для вычисления скорости «убегания»: нужно умножить расстояние до галактики и дистанцию, на которую за секунду разойдутся две галактики, оказавшиеся за парсек (3×1019 км) одна от другой. (Вторая величина была названа постоянной Хаббла.)
Правда, сам ученый рассчитал эту постоянную неверно (у него вышло 500 км с Мпк, тогда как в действительности данный показатель равен всего 70). поскольку не учел важный момент: галактики двигаются не только в направлении расширяющейся Вселенной — не только убегают одна от другой, но и притягиваются силами гравитации. И смещение в их спектре складывается из этих двух смещений. Если галактики находятся относительно близко одна к другой, сила притяжения между ними перевешивает силу отталкивания, и соседки движутся навстречу — линии в их спектре сдвигаются в фиолетовую сторону. Между тем. если бы мы применили к ним формулу Хаббла, то вышло бы, что галактики отдаляются. А отдаляться они могут лишь при условии достаточно больших расстояний между ними, на которых гравитация значительно слабее сил расширения. Если принимать это во внимание, закон Хаббла вполне справедлив.
Как только Хаббл поделился своими мыслями с коллегами, один из них. Милтон Хьюмасон принялся исследовать известные туманности, открывая одну галактику за другой. Труд калифорнийских ученых был оценен по достоинству, хотя далеко не все осознавали его истинное значение. По сути ведь закон Хаббла доказывал теорию Большого взрыва, которую разработали бельгиец Жорж Леметр и россиянин Александр Фридман, и отображал свойство пространства двигаться и расширяться. (К слову, еще Атьберт Эйнштейн в рамках своей теории относительности высказал догадку о расширении и сжатии Вселенной, однако радикальность этой идеи напугала ученого, и он ввел искусственную константу, которая в расчетах сделала пространство статичным.) С помощью закона Хаббла астрофизики и поныне вычисляют длину пути до разных галактик, и на его основе было открыто космологическое красное смещение.
К 40-м годам XX в. ученые уже выяснили, что во Вселенной постоянно происходит распад и синтез атомных ядер, в ходе чего одни элементы превращаются в другие и выделяют мощные потоки энергии. Также астрофизикам было известно, что вещество, из которого состоят звезды и межзвездная среда, содержит Уз водорода и Уз гелия и что ядра «построены» из нейтронов и протонов. На основе этих знаний были придуманы две версии развития Вселенной, различающиеся исходной пропорцией элементов межзвездного вещества и его температурой. Объединяла же обе версии идея равновесия: якобы все элементы вещества постепенно подстроились одно к другому так чтобы испускать и принимать одинаковое количество энергии, благодаря чему температура всех частиц выровнялась и обеспечила излучению стабильную плотность.
Еще в 1930-х родилась гипотеза холодной Веселенной: авторы данной версии полагали, будто сразу после рождения космическое пространство состояло из холодных частиц — нейтронов. Это. однако, не совпадало с опытными данными: свободные нейтроны очень быстро трансформируются в антинейтрино, электроны и протоны: последние, сталкиваясь с выжившими нейтронами, превращаются в разновидность водорода — дейтерий, а тот соединяется с собратом тритием и образует гелий. Но дальше процесс не идет, следовательно, если бы эта версия была верна, то вся Вселенная оказалась бы сплошь заполнена гелием. Нужно было придумать что-то другое, и ученые выдвинули противоположную гипотезу— горячей Вселенной. Тут уже слияние атомных ядер происходило в горячем веществе, правда, благодаря Хабблу Вселенная считалась ровесницей Солнечной системы, потому на подготовку исходного материала ученые не выделили времени. И то. что вся материя сформировалась в первые же секунды существования Вселенной, приняли как факт.
Уже в 40-х. осознав масштабы космоса, астрофизики «состарили» Вселенную по меньшей мере втрое, а такой почтенный возраст предполагал размеренный процесс «сборки» разных химических элементов внутри и на поверхности звезд. Однако гелия в космическом пространстве ровно треть, а это больше, чем могут произвести светила. Откуда же он взялся? В 1948 г. на этот вопрос попытался ответить русский физик Георгий Гамов с коллегами Робертом Херманом и Ральфом Альфером. Согласно их теории, в первую же долю секунды после рождения Вселенной ее вещество, состоявшее из разрозненных частиц и раскаленное до 30 лорд градусов, беспрерывно излучало фотоны (порции энергии). Благодаря очень высокой плотности они сталкивались и создавали пары заряженных частиц, те при столкновениях образовывали нейтральные частицы и выпускали опять-таки фотоны, а протоны и нейтроны при стычках с фотонами «менялись телами». Создавать цельные ядра они не могли, поскольку выплески энергии попросту разбивали бы их. Но по мере расширения Вселенной ее температура падала, частицы вели себя спокойнее, и протоны с нейтронами получали возможность объединяться в дейтерий, а из него уже образовывался гелий. Минут за пять синтезировалась та самая треть гелия, а все остальное пространство занял водород, построенный незадействованными протонами. Вселенная продолжила остывать, но на память ей осталась часть первородного горячего излучения.
Позже был представлен еще один вариант «холодной» теории, предусматривавший на старте холодную смесь электронов, протонов и нейтрино, образовавших водород, который уже в составе звезд превратился в гелий. Чтобы выяснить, какова из представленных версий ближе всего к истине, астрофизикам следовало поискать предсказанное Гамовым первородное (реликтовое) излучение. И в 1960-х его нашли, причем абсолютно случайно!
Источник
Хаббла закон
Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) — правило физической космологии, согласно которому красное смещение удалённых объектов пропорционально их расстоянию от наблюдателя. Таким образом, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
Другими словами, между расстояниями D до галактик и скоростями их удаления Vr (разбегания) наблюдается линейная зависимость:
.
Чем дальше от наблюдателя космический объект (галактика, квазар), тем быстрее он удаляется.
На каждый миллион парсек расстояния до объекта его скорость убегания увеличивается приблизительно на 75 км/с.
,
С помощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возраст Вселенной (в предположении, что «разбегание» галактик действительное):
,
этот возраст лишь по порядку соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.
Содержание
Суть закона Хаббла
С точки зрения классической механики, закон Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная образовалась в результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили бо́льшие скорости — соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва: с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.
| Космология |
|
| Родственные темы |
|
| Шаблон: Просмотр • Обсуждение • Править |
Первое замечание касается того, учитывается ли при наблюдениях тот факт, что из-за того, что свет идёт от галактик миллионы лет, мы наблюдаем их в прошлом. В результате, поскольку они удаляются от нас, в настоящий момент они должны находиться уже дальше. Вопрос: для какого из двух расстояний определена зависимость Хаббла? Ответ: до середины прошлого века это не имело значения. Из графика Хаббла видно, что наибольшие скорости галактик, рассмотренных Хабблом, составили до 1000 км/с. В принципе это большая скорость, но за время движения света от них до Земли, они всё равно успели сдвинуться на незначительный процент общего расстояния.
Второе замечание заключается в том, что расширение Вселенной не является простым разлётом галактик в пустом пространстве. Оно заключается в динамическом изменении самого пространства. Непонимание этого факта часто заставляет делать неверные заключения авторов даже серьёзной литературы. Например, часто говорят, что скорость убегания галактик не должна превышать скорость света и потому на тех расстояниях, где это должно наблюдаться, должны наблюдаться и отклонения от закона Хаббла. Это не так: согласно общей теории относительности, должны существовать и наблюдаться галактики, убегающие быстрее света [1] .
Экспериментальное открытие
Закон Хаббла установлен экспериментально Э. Хабблом в 1929 для галактик, до которых было определено расстояние по ярчайшим звёздам. Исходное наблюдение состояло в том, что красные линии в спектрах внегалактических туманностей смещаются пропорционально расстоянию до них. Позднее закон был подтверждён по наблюдениям большого количества галактик.
Теоретическая интерпретация
За несколько лет до экспериментального открытия Александром Фридманом были теоретически решены уравнения Эйнштейна для всей Вселенной и в результате было получено, что если распределение вещества в ней в среднем равномерно, то она должна или сжиматься или расширяться, причём в последнем случае должен наблюдаться линейный закон между расстоянием и скоростью убегания. Эта особенность решений Фридмана была сразу же отождествлена с явлением, открытым Хабблом.
В соответствии с этой (общепринятой) моделью космологическое красное смещение нельзя интерпретировать как Эффект Доплера, так как получаемая из наблюдаемого z по формулам этого эффекта скорость не соответствует (лишь приближенно равна) никакой скорости в смысле изменения космологического расстояния между галактиками. Галактики неподвижны (за исключением пекулярных собственных скоростей), а расширяется пространство, что и вызывает расширение волнового пакета. (См. в статье Космологическое красное смещение). Так соотношение
является приближённым, в то время как равенство
где D — расстояние в данный момент, есть точное равенство, то есть красное смещение линейно связано с расстоянием только приближённо для близких галактик, а скорость их удаления линейно возрастает с расстоянием точно. Таким образом, в последней формуле скорость V не соответствует скорости, рассчитываемой по эффекту Допплера.
Оценка постоянной Хаббла и её физический смысл
В процессе расширения, если оно происходит равномерно, постоянная Хаббла должна уменьшаться, и индекс «0» при её обозначении указывает на то, что величина Н0 относится к современной эпохе. Величина, обратная постоянной Хаббла должна быть в таком случае равна времени, прошедшему с момента начала расширения, то есть, возрасту Вселенной.
Значение Н0 определяется по наблюдениям галактик, расстояния до которых измерены без помощи красного смещения (прежде всего, по ярчайшим звёздам или цефеидам). Большинство независимых оценок Н0 дают для этого параметра значение 70—80 км/с на мегапарсек. Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью 7000—8000 км/с. В настоящее время (2009) наиболее надёжной (хотя и модельно зависимой) считается оценка Н0=(74,2 ± 3,6) км/с/Мпк.
Проблема оценки Н0 осложняется тем, что, помимо космологических скоростей, обусловленных расширением Вселенной, галактики ещё обладают собственными (пекулярными) скоростями, которые могут составлять несколько сотен км/с (для членов массивных скоплений галактик — более 1000 км/с). Это приводит к тому, что закон Хаббла плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии ближе 10-15 млн св. лет, то есть как раз для тех галактик, расстояния до которых наиболее надёжно определяются без красного смещения.
Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на очень больших расстояниях (в миллиарды св. лет), которым соответствует величина z > 1. Расстояния до объектов с таким большим красным смещением теряют однозначность, поскольку зависят от принимаемой модели Вселенной и от того, к какому моменту времени они отнесены. В качестве меры расстояния в этом случае обычно используется только красное смещение.
Возможная нелинейность закона
В наше время наблюдениями, говорящими в пользу существования тёмной энергии, были, по-видимому, обнаружены отклонения от линейного закона Хаббла (как связи красного смещения с расстоянием). Было обнаружено, по-видимому, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Этот факт не отменяет закона Хаббла, так как последний действует на более близких расстояниях, чем эти новые эффекты.
Источник