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
Кто открыл расширение Вселенной: Хаббл или Леметр
Обнаружение расширения Вселенной стало действительно прорывным открытием, которое даже сумели подтвердить экспериментально. И благодарить за это стоит Эдвина Хаббла! Или нет?
Эйнштейн махнул рукой
Вы можете совершенно не разбираться в физике, но все равно должны были слышать об Альберте Эйнштейне и его общей теории относительности. Если говорить самым простым языком, то в центре теории находится принцип «относительности». То есть, все природные законы остаются одинаковыми относительно статичного или перемещающегося с неизменной скоростью тела.
Эта теория позволила избавиться от проблем в физике XX века, спрогнозировала существование черных дыр, показала, что световые лучи искривляются возле массивных тел, а также позволила совершенно по-новому взглянуть на пространство-время и подтолкнула ученых к новым важным открытиям.
Но в 1917 году Эйнштейн стал догадываться, что его теория предлагает два варианта для Вселенной: сжатие или расширение. Возможно, ученый был просто не готов развивать столь глобальную тему или не поверил в выводы собственных уравнений, но решил аккуратно обойти эту проблему. По сути, он создал искусственную космологическую постоянную. Впоследствии, Эйнштейн назовет этот поступок крупнейшей ошибкой.
Эдвин Хаббл и разбегающиеся галактики
Графическое представление сингулярности Вселенной
Многие прорывные открытия возникают в качестве суммирования и доказывания уже известных теорий или предположений. Можно сказать, что Эдвин Хаббл не придумал что-то с нуля, а внимательно изучил и объединил различные известные показатели. Например, богатую научную базу удалось получить от Генриетты Левитт, изучавшей переменные звезды – цефеиды.
Слайфер и Хьюмасон сумели измерить показатель красного смещения для галактик (сдвиг спектральных линий в красную сторону). Внимательность Хаббла позволила зафиксировать связь, а если говорить точнее, то зависимость, между дистанциями к объектам и значением красного смещения. Эта тенденция просматривалась для 46 галактик.
Таким образом, удалось вычислить постоянную Хабба (из-за ранних ошибок это значение намного выше современного) и закон Хаббла – Вселенная расширяется, а галактики разбегаются. Это произошло в 1929 году. Эти выводы подкрепляли уравнения Эйнштейна и вписывались в общую теорию относительности, поэтому были приняты научным сообществом и закрепились за Хабблом. Но стоит ли считать его первым?
Вклад Жоржа Леметра
Перед нами весьма необычный человек, так как был не только математиком и астрономом, но и священником. Можно сказать, что это один из первопроходцев в применении общей теории относительности. В 1927 году вышла его статья, где были представлены расчеты, приближенные к «постоянной Хаббла», появившейся лишь спустя 2 года.
Кроме того, Леметр был первым, кто четко утверждал, что далекие объекты представлены не звездами, а целыми системами, хотя слово «галактика» пока не употреблялось, но автор подразумевал именно его. Однако интересно, что в своих расчетах Леметр все же использовал данные Хаббла, с которым успел познакомиться еще в 1926 году.
Леметр был знаком с Альбертом Эйнштейном, поэтому последний читал его работу. Напомним, что еще в 1922 году советский математик А. Фридман предсказал вселенское расширение. Эйнштейн также читал эту работу и раскритиковал (он все еще не верил). При первом ознакомлении он повторил это и со статьей Леметра, но в более легкой форме.
Почему Хаббл, а не Леметр?
Если Леметр на 2 года опередил Хаббла, то почему большая часть почестей досталась второму? В некоторых источниках ссылаются на скромность Леметра, который не хотел добиваться справедливости и что-то доказывать. Но все не совсем так.
Начнем с фактора географии. Распространение работы Леметра и известность о нем касались только Европы. Его статью не переводили на другие языки и говорят, что сначала она затерялась и не произвела особого впечатления. То есть, он не обзавелся внушительной базой исследователей, которые бы распространили эту идею.
Хаббл жил в США, писал на английском и довольно быстро обзавелся сторонникам. Важно отметить, что Эйнштейн вспомнил о работе Леметра уже после ознакомления с доказательной базой Хаббла и начал активно продвигать первую статью (Леметра), так как наконец-то поверил в правдивость выводов.
Постскриптум
Всегда сложно определить первенство в научной среде. Многие ученые долгие годы работают, выдвигают теории и находят новые данные. Затем появляется тот, кому удается сделать прорыв за счет суммирования и доказательной базы. Большинство экспертов считают, что в конкретном случае Леметр был одним из тех, кто догадывался о расширении, но доказать его сумел именно Хаббл.
Однако в новостях все чаще поговаривают о необходимости переименовать закон. И это не просто слухи, а предварительное решение Международного астрономического союза. Возможно, в скором будущем появится закон Хаббла-Леметра. Суть не меняется, но это дань работе ученых. Но может тогда следует добавить еще и Фридмана?
Источник
Откуда мы знаем, что Вселенная расширяется?
Сама идея о том, что Вселенная расширяется — довольно новая. Хотя если поразмыслить логически люди могли додуматься до нее уже в 17-18 веках — сразу после открытия закона Всемирного тяготения. Ведь действительно — если все тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояний между ними, то с течением времени вся материя во вселенной сбилась бы в одну «кучу». Однако ничего похожего мы не наблюдаем. Это возможно в двух случаях а) закон Всемирного тяготения неверен б) расстояние между массами увеличивается быстрее, чем сила тяготения успевает его уменьшить.
Однако до первой половины 20-го века никто до этого не додумался. Даже великий Эйнштейн не представлял себе возможности расширяющейся вселенной, хотя она и напрямую следовала из его теории относительности. Первым понял, что вселенная расширяется великий американский астроном Эдвин Хаббл.
Открытие других галактик
До Хаббла считалось, что вся вселенная — это галактика Млечный Путь. Все началось с того, что Хабблу удалось измерить расстояния до далеких звезд в туманности Андромеды и оказалось, что они находятся слишком далеко, чтобы быть частью Млечного Пути.
Многие не хотели принимать его всерьез, ведь он был очень молод и не имел авторитета, но его аргументы были неоспоримы, а математические выкладки точны, и научное сообщество приняло эти результаты, совершившие впоследствии переворот в космологии. В следующие годы Хаббл открыл несколько десятков галактик за пределами Млечного Пути.
Красное и синее смещение
Общеизвестно, что свет обладает свойствами как электромагнитных колебаний, так и потока частиц. Видимый нами свет зависит от длины волны световых электромагнитных колебаний. По одну сторону спектра находятся «красные» волны — длинноволновые колебания, а по другую — «сине-фиолетовые» волны — коротковолновые.
Источник