Що змушує нашу галактику летіти з величезною швидкістю? Закон Хаббла Удавана швидкість видалення галактики від нас прямо пропорційна відстані до неї Галактики розлітаються.

Закон Хаббла Удавана швидкість видалення галактики від нас прямо пропорційна відстані до неї. Повернувшись з першої світової війни, Едвін Хаббл влаштувався на роботу в високогірну астрономічну обсерваторію Маунт-Вілсон в Південній Каліфорнії, яка в ті роки була найкращою в світі по оснащеності. Використовуючи її новітній телескоп-рефлектор з діаметром головного дзеркала 2,5 м, він провів серію цікавих вимірювань, назавжди перевернули наші уявлення про Всесвіт. Взагалі-то, Хаббл мав намір дослідити одну давню астрономічну проблему - природу туманностей. Ці загадкові об'єкти, починаючи з XVIII століття, хвилювали вчених таємничістю свого походження. До XX століття деякі з цих туманностей розродилися зірками і розсмокталися, проте більшість хмар так і залишилися туманними - і за своєю природою, зокрема. Тут вчені і задалися питанням: а де, власне, ці туманні освіти знаходяться - в нашій Галактиці? або частина з них представляють собою інші «острівці Всесвіту», якщо висловлюватися витонченим мовою тієї епохи? До введення в дію телескопа на горі Вілсон в 1917 році це питання стояло чисто теоретично, оскільки для вимірювання відстаней до цих туманностей технічних коштів не було. Почав свої дослідження Хаббл з самої, мабуть, найпопулярнішою з незапам'ятних часів туманності Андромеди. До 1923 року йому вдалося розглянути, що околиці цієї туманності є скупчення окремих зірок, деякі з яких належать до класу змінних цефеїд (згідно астрономічної класифікації). Спостерігаючи за змінної цефеидой протягом досить тривалого часу, астрономи вимірюють період зміни її світності, а потім по залежності період-світність визначають і кількість що випускається нею світла. Щоб краще зрозуміти, в чому полягає наступний крок, наведемо таку аналогію. Уявіть, що ви стоїте в безпросвітно темної ночі, і тут далеко хтось включає електричну лампу. Оскільки нічого, крім цієї далекої лампочки, ви навколо себе не бачите, визначити відстань до неї вам практично неможливо. Може, вона дуже яскрава і світиться далеко, а може, тьмяна і світиться неподалік. Як це визначити? А тепер уявіть, що вам якимось чином вдалося дізнатися потужність лампи - скажімо, 60, 100 або 150 ват. Завдання відразу спрощується, оскільки по видимій світності ви вже зможете приблизно оцінити геометричне відстань до неї. Так ось: вимірюючи період зміни світності цефеїди, астроном знаходиться приблизно в тій же ситуації, як і ви, розраховуючи відстань до віддаленої лампи, знаючи її светосилу (потужність випромінювання). Перше, що зробив Хаббл, - розрахував відстань до цефеїд на околицях туманності Андромеди, а значить, і до самої туманності: 900 000 світлових років (точніше розраховане на сьогоднішній день відстань до галактики Андромеди, як її тепер називають, становить 2,3 мільйона світлових років. - Прим. автора) - тобто туманність знаходиться далеко за межами Чумацького Шляху - нашої галактики. Поспостерігавши цю та інші туманності, Хаббл дійшов до базового висновку про структуру Всесвіту: вона складається з набору величезних зоряних скупчень - галактик. Саме вони і представляються нам в небі далекими туманними «хмарами», оскільки окремих зірок на такому величезному видаленні ми розглянути просто не можемо. Одного цього відкриття, взагалі-то, вистачило б Хабблу для всесвітнього визнання його заслуг перед наукою. Вчений, однак, цим не обмежився і помітив ще один важливий аспект в отриманих даних, який астрономи спостерігали і раніше, але інтерпретувати важко. А саме: спостерігається довжина спектральних світлових хвиль, випромінюваних атомами віддалених галактик, трохи нижче довжини спектральних хвиль, випромінюваних тими ж атомами в умовах земних лабораторій. Тобто в спектрі випромінювання сусідніх галактик квант світла, що випромінюється атомом при стрибку електрона з орбіти на орбіту, зміщений за частотою в напрямку червоної частини спектра в порівнянні з аналогічним квантом, випущених таким же атомом на Землі. Хаббл взяв на себе сміливість інтерпретувати це спостереження як прояв ефекту Доплера, а це означає, що всі спостережувані сусідні галактики віддаляються від Землі, оскільки практично у всіх галактичних об'єктів за межами Чумацького Шляху спостерігається саме червоне спектральне зміщення, пропорційне швидкості їх видалення. Найголовніше, Хабблу вдалося зіставити результати своїх вимірів відстаней до сусідніх галактик (за спостереженнями змінних цефеїд) з вимірами швидкостей їх видалення (по червоному зсуву). І Хаббл з'ясував, що чим далі від нас знаходиться галактика, тим з більшою швидкістю вона видаляється. Це саме явище центростремительного «розбігання» видимого Всесвіту з наростаючою швидкістю в міру віддалення від локальної точки спостереження і отримало назву закону Хаббла. Математично він формулюється дуже просто: v \u003d Hr де v - швидкість видалення галактики від нас, r - відстань до неї, а H - так звана постійна Хаббла. Остання визначається експериментально, і на сьогоднішній день оцінюється як рівна приблизно 70 км / (с · Мпк) (кілометрів в секунду на мегапарсек; 1 Мпк приблизно дорівнює 3,3 мільйонам світлових років). А це означає, що галактика, віддалена від нас на відстань 10 мегапарсек, тікає від нас зі швидкістю 700 км / с, галактика, віддалена на 100 Мпк, - зі швидкістю 7000 км / с, і т. Д. І, хоча спочатку Хаббл прийшов до цього закону по результатом спостереження за все декількох найближчих до нас галактик, ні одна з безлічі відкритих відтоді нових, все більш віддалених від Чумацького Шляху галактик видимого Всесвіту з-під дії цього закону не випадає. Отже, головне і - здавалося б - неймовірне наслідок закону Хаббла: Всесвіт розширюється! Мені цей образ найбільш наочно представляється так: галактики - родзинки в швидко висхідний дріжджовому тесті. Уявіть себе мікроскопічним істотою на одній з родзинок, тісто для якого видається прозорим: і що ви побачите? Оскільки тісто піднімається, всі інші родзинки від вас віддаляються, причому чим далі родзинка, тим швидше вона віддаляється від вас (оскільки між вами і далекими родзинками більше розширюється тесту, ніж між вами і найближчими родзинками). У той же час, вам буде представлятися, що це саме ви перебуваєте в самому центрі розширюється вселенського тесту, і в цьому немає нічого дивного - якщо б ви опинилися на інший родзинки, вам все уявлялося б в точності так само. Так і галактики розбігаються по одній простій причині: розширюється сама тканину світового простору. Всі спостерігачі (і ми з вами не виняток) вважають себе знаходяться в центрі Всесвіту. Найкраще це сформулював мислитель XV століття Микола Кузанський: «Будь-яка точка є центр безмежного Всесвіту».

Наступний щабель організації матерії у Всесвіті - галактики. Типовим прикладом є наша галактика - Чумацький шлях. Вона містить близько 10 11 зірок і має форму тонкого диска з потовщенням в центрі.
На рис. 39 схематично показано будову нашої галактики Чумацький шлях і вказано положення Сонця в одному з спіральних рукавів галактики.

Мал. 39. Будова галактики Чумацький шлях.

На рис. 40 показана проекція на площину 16 найближчих сусідів нашої галактики.

Мал. 40. 16 найближчих сусідів нашої Галактики, спроектованих на площину. БМО і ММО - Велике і Мала Магелланова Хмара

Зірки в галактиках розподілені нерівномірно.
Розміри галактик змінюються від 15 до 800 тисяч світлових років. Маса галактик варіюється від 10 7 до 10 12 мас Сонця. В галактиках зосереджена основна кількість зірок і холодного газу. Зірки в галактиках утримуються сумарним гравітаційним полем галактики і темної матерії.
Наша галактика Чумацький шлях представляє собою типову спіральну систему. Зірки в галактиці поряд із загальним обертанням галактик мають також власні швидкості щодо галактики. Орбітальна швидкість Сонця в нашій галактиці становить 230 км / с. Власна швидкість Сонця щодо галактики становить
20 км / с.

Відкриття світу галактик належить Е. Хабблу. У 1923-1924 рр., Спостерігаючи зміни світності цефеїд, які перебувають в окремих туманностях, він показав, що виявлені ним туманності є галактиками, розташованими за межами нашої галактики - Чумацького шляху. Зокрема він виявив, що Туманність Андромеди є інший зоряної системою - галактикою, яка не входить до складу нашої галактики Чумацький шлях. Туманність Андромеди - спіральна галактика, що знаходиться на відстані 520 кпк. Поперечний розмір туманності Андромеди становить 50 кпк.
Вивчаючи променеві швидкості окремих галактик, Хаббл зробив видатне відкриття:

H \u003d 73.8 ± 2.4 км · сек -1 · мегапарсек -1 - параметр Хаббла.

Мал. 41. Оригінальний графік Хаббла з роботи 1929 р

Мал. 42. Швидкість видалення галактик в залежності від відстані до Землі.

На рис. 42 на початку координат квадратом показана область швидкостей галактик і відстаней до них, на основі якої Е. Хаббл вивів співвідношення (9).
Відкриття Хаббла мало передісторію. У 1914 р астроном В. Слайфер показав, що туманність Андромеди і ще кілька туманностей рухаються щодо Сонячної системи зі швидкостями близько 1000 км / год. Е. Хабблу, який працював на найбільшому в світі телескопі з головним дзеркалом діаметром 2,5 м обсерваторії Маунт Вілсон в Каліфорнії (США), вдалося вперше дозволити окремі зірки в туманності Андромеди. Серед цих зірок були зірки-цефеїди, для яких відома залежність між періодом зміни світності і світність.
Знаючи світність зірки і швидкість зірки, Е. Хаббл отримав залежність швидкості видалення зірок від Сонячної системи в залежності від відстані. На рис. 41 наведено графік з оригінальної роботи Е. Хаббла.

Мал. 43. Космічний телескоп Хаббл

ефект Доплера Ефект Доплера - зміна частоти, що реєструється приймачем при русі джерела або приймача. Якщо рухається джерело випромінює світло, що має частоту ω 0, то частота світла, що реєструється приймачем, визначається співвідношенням с - швидкість світла у вакуумі, v - швидкість руху джерела випромінювання щодо приймача випромінювання, θ - кут між напрямком на джерело і вектором швидкості в системі відліку приймача. θ \u003d 0 відповідає радіальному видалення джерела від приймача, θ \u003d π відповідає радіальному наближенню джерела до приймача.

Променеву швидкість руху небесних об'єктів - зірок, галактик - визначають, вимірюючи зміну частоти спектральних ліній. При видаленні джерела випромінювання від спостерігача відбувається зміщення довжин хвиль в сторону довших довжин хвиль (червоне зміщення). При наближенні джерела випромінювання до спостерігача відбувається зміщення довжин хвиль в сторону більш коротких довжин хвиль (синє зміщення). Щодо збільшення ширини розподілу спектральної лінії можна визначити температуру випромінюючого об'єкта.
Хаббл розділив галактики за їх зовнішнім виглядом на три великі класи:

еліптичні (E),

спіральні (S),

іррегулярні (Ir).

Мал. 44. Типи галактик (спіральна, еліптична, іррегулярна).

Характерною рисою спіральних галактик є спіральні гілки, що тягнуться від центру по всьому зоряному диску.
Еліптичні галактики являють собою безструктурні системи еліптичної форми.
Іррегулярні галактики виділяються зовні хаотичної, клочковатой структурою і не мають якоїсь певної форми.
Така класифікація галактик відображає не тільки їх зовнішні форми, а й властивості входять до них зірок.
Еліптичні галактики складаються переважно зі старих зірок. У іррегулярних галактиках основний внесок у випромінювання дають зірки молодше Сонця. У спіральних галактиках виявляються зірки різного віку. Таким чином, відмінність у зовнішньому вигляді галактик визначається характером їх еволюції. В еліптичних галактиках зіркоутворення практично припинилося мільярди років тому. У спіральних галактиках утворення зірок триває. У іррегулярних галактиках зіркоутворення відбувається так само інтенсивно, як і мільярди років тому. Майже всі зірки зосереджені в широкому диску, основну масу якого складає міжзоряний газ.
У таблиці 19 наведені відносне порівняння цих трьох типів галактик і порівняння їх властивостей на основі аналізу Е. Хаббл.

Таблиця 19

Основні типи галактик і їх властивості (по Е. Хабблу)
спіральні	еліптичні	іррегулярні
Процентне співвідношення у Всесвіті
Форма і структурні властивості
Плоский диск зірок і газу зі спіральними рукавами, товщають до центру. Ядро з більш старих зірок і приблизно сферичне гало (міжзоряний газ, трохи зірок і магнітні поля)

В даний час за даними астрономічних спостережень встановлено, що Всесвіт у великих масштабах однорідна, Тобто всі її області розміром від 300 млн. світлових років і більше виглядають однаково. У менших масштабах у Всесвіті є райони, де виявляються скупчення галактик і, навпаки, порожнечі, де їх мало.

Галактикою називається система зірок мають спільне походження і пов'язаних силами тяжіння. Галактика, в якій знаходиться наше Сонце - Чумацький шлях

Відстані до небесних тіл в астрономії визначаються по-різному в залежності від того близько чи далеко від нашої планети ці об'єкти знаходяться. У космічному просторі прийнято використовувати такі одиниці для вимірювання відстаней:

1 а.о. ( астрономічна одиниця) \u003d (149597870 2) км;

1 пк ( парсек) \u003d 206265 а.о. \u003d 3,086 · 10 м;

1 ц.р. ( світловий рік) \u003d 0,307 пк \u003d 9,5 · 10 м. Світловий рік - шлях, який світло проходить за рік.

У даній роботі пропонується метод визначення відстаней до далеких галактик по «червоному зсуву», тобто по збільшенню довжин хвиль в спектрі спостерігається віддаленого джерела випромінювання в порівнянні з відповідними довжинами хвиль ліній в еталонних спектрах.

Під джерелом світла розуміють випромінювання далеких галактик (найбільш яскравих зірок або газопилових туманностей в них). під « червоним зміщенням»- зрушення спектральних ліній в спектрах хімічних елементів, з яких складаються ці об'єкти, в довгохвильову (червону) сторону, в порівнянні з довжинами хвиль в спектрах еталонних елементів на Землі. «Червоний зсув» обумовлено ефектом Доплера.

ефект Доплера полягає в тому, що випромінювання, надіслане джерелом, віддаляється від нерухомого приймача, буде прийматися їм як більш довгохвильове, в порівнянні з випромінюванням від такого ж нерухомого джерела. Якщо ж джерело наближається до приймача, то довжина хвилі реєстрованого сигналу, навпаки, буде зменшуватися.

У 1924 р радянський фізик Олександр Фрідман передбачив, що Всесвіт розширюється. Наявні в даний час дані показують, що еволюція Всесвіту почалася з моменту Великого Вибуху.Близько 15 млрд. Років тому Всесвіт представляв собою точку (її називають точкою сингулярності), До якої через найсильнішу гравітації в ній, дуже високої температури і щільності незастосовні відомі закони фізики. Відповідно до прийнятої зараз моделлю Всесвіт початку роздуватися з точки сингулярності з наростаючим прискоренням.

У 1926 р були отримані експериментальні докази розширення Всесвіту. Американський астроном Е. Хаббл, при дослідженні за допомогою телескопа спектрів далеких галактик, відкрив червоне зміщення спектральних ліній. Це означало, що галактики віддаляються один від одного, причому зі швидкістю, зростаючої з відстанню. Хаббл побудував лінійну залежність між відстанню і швидкістю, пов'язану з ефектом Доплера ( закон Хаббла):

(1) , де

r - відстань між галактиками;

v -швидкість віддалення галактик;

Н- постійна Хаббла. значення Н залежить від часу, що пройшов з початку розширення Всесвіту до справжнього моменту, і змінюється в інтервалі від 50 до 100 км / с · Мпк. У астрофізиці, як правило, використовують Н \u003d 75 км / с · Мпк. Точність постійної Хаббла становить

0,5 км / с · Мпк;

з- швидкість світла у вакуумі;

Z- червоне зміщення довжини хвилі, т.зв. космологічний фактор.

(2) , де

- довжина хвилі прийнятого приймачем випромінювання;

- довжина хвилі випромінювання, випущеного об'єктом.

Таким чином, вимірюючи величину зміщення ліній, наприклад, іонізованого водню (Н +) у видимій частині спектру, можна для спостережуваної з Землі галактики, визначити за формулою (2) її червоне зміщення Zі, користуючись законом Хаббла (1), обчислити відстань до неї або швидкість її видалення:

Порядок виконання роботи

1. Викликати програму «Визначення відстаней до галактик» на робочому столі комп'ютера. На екрані монітора з'явиться область Всесвіту з дев'ятьма різними галактиками, які спостерігаються з поверхні Землі. У верхній частині екрану з'являється спектр видимого світла і маркер довжини хвилі іонізованого водню H +.

2. Встановіть курсор на галактиці, зазначеної викладачем і клацніть клавішею.

3. Запишіть в таблицю вимірювань довжину хвилі і λ випромінюється цієї галактикою при її видаленні.

У відносній близькості від нашої галактики Чумацький Шлях астрономи виявили кілька дрібних галактик, які змусили їх замислитися про відомі їм законах тяжіння. Ці галактики утворюють ціле кільце діаметром 10 млн світлових років і розлітаються від нас з такою високою швидкістю, що вчені не можуть знайти чіткого пояснення такому швидкому розльоту.

Знаходячи аналогії між виявленою структурою і Великим вибухом, вчені впевнені, що сформована вона була і отримала швидкість за рахунок зближення Чумацького Шляху й галактики Андромеди в далекому минулому.

Проблема в одному: вчені не можуть зрозуміти, чому при такому розльоті ці дрібні галактики отримали таку високу швидкість.

«Якщо теорія гравітації Ейнштейна вірна, наша галактика ніколи не могла б підійти так близько до Андромеди, щоб викинути щось з подібною швидкістю», - пояснив Чжао Хуншен з Сент-Ендрюського університету (Шотландія), автор дослідження, опублікованого в журналі MNRAS .

Чжао з колегами вивчають руху цього кільця дрібних галактик, які разом з Чумацьким Шляхом і галактикою Андромеди входять до складу так званої Місцевої групи, що включає мінімум 54 галактики. Нашу спіральну галактику Чумацький Шлях і сусідню галактику Андромеди поділяють 2,5 млн світлових років, проте на відміну від більшості відомих галактик наша сусідка не віддаляється від нас, а летить назустріч зі швидкістю понад 400 км / c.

Використовуючи в розрахунках Стандартну космологічну модель (так звана ΛCDM-модель), вчені припускають, що через 3,75 млрд років дві галактики повинні зіткнутися, а ще через кілька мільярдів років це зіткнення приведе до сильного руйнування обох галактик і утворення нової. Але якщо ці галактики зближаються зараз, то чи могли вони зближуватися в минулому?

У 2013 році команда Чжао припустила , Що 7-11 млрд років тому Чумацький Шлях і Андромеда вже пролітали повз один одного на досить близькій відстані.

Це породило в них «цунаміподобние» хвилі, завдяки яким назовні були викинуті більш дрібні галактики, які і спостерігаються сьогодні розлітаються від нас.

Подібні зближення двох галактик відомі астрономам (на ілюстрації до замітки - зближення галактик NGC 5426 and NGC 5427). Однак розлітаються вони занадто швидко. «Високі галактоцентріческіе радіальні швидкості деяких галактик Місцевої групи були викликані діяли на них силами, які наша модель не враховує», - уклали вони в статті. Більш того, в спільне минуле Чумацького Шляху, Андромеди і цих розлітаються галактик сумніватися не доводиться хоча б тому, що знаходяться вони приблизно в одній площині, аргументують вчені.

«Кільцеподібне розподіл - дуже специфічне. Ці невеликі галактики виглядають як краплі дощу, що розлітаються від обертового парасольки, - пояснив співавтор дослідження Індрані Баник.

- За моїми оцінками, шанс, що випадково розподілені галактики вишикуються подібним чином, складає 1/640.

Я простежив їх походження до динамічного події, яка сталася, коли Всесвіт був в два рази молодше ».

ΛCDM-модель -, що враховує наявність у Всесвіті звичайної (баріонів матерії, темної енергії, описуваної в рівняннях Ейнштейна у вигляді постійної Λ) і холодної темної матерії.

Проблема описаного сценарію розльоту дрібних галактик не тільки в гіпотетичному порушення моделі ΛCDM. Розрахунки показують, що настільки тісне зближення Чумацького Шляху і Андромеди в минулому мало призвести до їх злиття, чого, як відомо, не сталося.

«Така висока швидкість (розльоту галактик) вимагає в 60 разів більшою маси зірок, ніж ми спостерігаємо сьогодні в Чумацькому Шляху і Андромеда. Однак тертя, що виникло б між масивним гало з темної матерії в центрі галактик і цими зірками, призвело б до їх злиття, а не до розльоту на 2,5 млн світлових років, який стався », - пояснив Баник.

«Наука розвивається через виклики, - вважає Марсел Павловські, астрофізик з Каліфорнійського університету в Ірвайні. - Це гігантське кільце створює серйозний виклик стандартної парадигми ».

Навіть астрономи не завжди правильно розуміють розширення Всесвіту. Роздувається повітряна куля - стара, але хороша аналогія розширення Всесвіту. Галактики, розташовані на поверхні кулі, нерухомі, але оскільки Всесвіт розширюється, відстань між ними зростає, а розміри самих галактик не збільшуються.

У червні 1965 р вчені оголосили про відкриття явних ознак розширення Всесвіту з більш гарячого і щільного вихідного стану. Вони знайшли холонуче післясвітіння Великого вибуху - реліктове випромінювання. З цього моменту розширення і охолодження Всесвіту лягло в основу космології. Космологічне розширення дозволяє зрозуміти, як формувалися прості структури і як вони поступово розвивалися в складні. Через 75 років після відкриття розширення Всесвіту багато вчених не можуть проникнути в його істинний сенс. Джеймс Поблизу (James Peebles), космолог з Прінстонського університету, який вивчає реліктове випромінювання, писав в 1993 р: «Мені здається, що навіть фахівці не знають, яке значення і можливості моделі гарячого Великого вибуху».

Відомі фізики, автори підручників з астрономії та популяризатори науки часом дають невірну або перекручену трактування розширення Всесвіту, яке лягло в основу моделі Великого вибуху. Що ж ми маємо на увазі, коли говоримо, що Всесвіт розширюється? Безсумнівно, збиває з пантелику та обставина, що тепер говорять про прискорення розширення, і це ставить нас у глухий кут.

ОГЛЯД: КОСМІЧНЕ НЕПОРОЗУМІННЯ

* Розширення Всесвіту - одна з фундаментальних концепцій сучасної науки - до сих пір отримує різне тлумачення.

* Не слід сприймати термін «Великий вибух» буквально. Він не був бомбою, яка вибухнула в центрі Всесвіту. Це був вибух самого простору, який стався повсюдно, подібно до того, як розширюється поверхню надувається повітряної кулі.

* Розуміння відмінності між розширенням простору і розширенням в просторі вкрай важливо для того, щоб зрозуміти, який розмір Всесвіту, швидкість розбігання галактик, а також можливості астрономічних спостережень і природи прискорення розширення, яке, ймовірно, відчуває Всесвіт.

* Модель Великого вибуху описує лише те, що трапилося після нього.

Що таке розширення?

Коли розширюється що-небудь звичне, наприклад, волога пляма або Римська імперія, то вони стають більше, їх кордони розсуваються, і вони починають займати більший об'єм в просторі. Але Всесвіт, схоже, не має фізичних обмежень, і їй нікуди рухатися. Розширення нашого Всесвіту дуже схоже на надування повітряної кулі. Відстані до далеких галактик збільшуються. Зазвичай астрономи говорять, що галактики віддаляються або тікають від нас, але не переміщаються в просторі, як осколки «бомби Великого вибуху». Насправді розширюється простір між нами і галактиками, хаотично рухаються всередині практично нерухомих скупчень. Реліктове випромінювання заповнює Всесвіт і служить системою відліку, подібної гумової поверхні повітряної кулі, по відношенню до якої рух і може бути виміряна.

Перебуваючи поза кулі, ми бачимо, що розширення його викривленою двомірної поверхні можливо тільки тому, що вона знаходиться в тривимірному просторі. У третьому вимірі розташовується центр кулі, а його поверхня розширюється в навколишній обсяг. Виходячи з цього, можна було б зробити висновок, що розширення нашого тривимірного світу вимагає наявності у простору четвертого вимірювання. Але відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, простір динамічно: воно може розширюватися, стискатися і згинатися.

Дорожня пробка

Всесвіт самодостатня. Не потрібні ні центр, щоб розширюватися від нього, ні вільний простір з зовнішнього боку (де б вона не знаходилася), щоб туди розширюватися. Правда, деякі новітні теорії, такі як теорія струн, постулюють наявність додаткових вимірів, але при розширенні нашої тривимірної Всесвіту вони не потрібні.

У нашого Всесвіту, як і на поверхні повітряної кулі, кожен об'єкт віддаляється від всіх інших. Таким чином, Великий вибух не був вибухом в просторі, а скоріше це був вибух самого простору, який не сталося в певному місці і потім не має права продовжувати в навколишнє порожнечу. Це сталося всюди одночасно.

НА ЩО БУВ СХОЖИЙ ВЕЛИКИЙ ВИБУХ?

НЕВІРНО: Всесвіт народився тоді, коли речовина, подібно до бомби, вибухнуло в певному місці. Тиск був високим в центрі і низьким в навколишньому порожнечі, що і викликало розліт речовини.

ВІРНО: Це був вибух самого простору, який привів речовина в рух. Наш простір і час виникло в Великому вибуху і початок розширюватися. Ніде не було центру, тому що умови всюди були однаковими, ніякого перепаду тиску, характерного для звичайного вибуху, не було.

Якщо уявити, що ми прокручуємо кінострічку в зворотному порядку, то побачимо, як все області Всесвіту стискаються, а галактики зближуються, поки не зіткнуться всі разом в Великому вибуху, як автомобілі в дорожній пробці. Але зіставлення тут не повне. Якби мова йшла про подію, то ви могли б об'їхати затор, почувши повідомлення про нього по радіо. Але Великий вибух був катастрофою, яку неможливо уникнути. Це схоже на те, як якщо б поверхню Землі і всі дороги на ній зім'ялося, але автомобілі залишалися б колишнього розміру. Зрештою машини зіткнулися б, і ніяке повідомлення по радіо не допомогло б запобігти цьому. Так само і Великий вибух: він стався повсюдно, на відміну від вибуху бомби, який відбувається в певній точці, а осколки розлітаються в усі сторони.

Теорія Великого вибуху не дає нам інформації про розмір Всесвіту і навіть про те, кінцева вона або нескінченна. Теорія відносності описує, як розширюється кожна область простору, але нічого не говориться про розмір або формі. Іноді космологи заявляють, що Всесвіт колись була не більшою грейпфрута, але вони мають на увазі лише ту її частину, яку ми зараз можемо спостерігати.

У мешканців туманності Андромеди або інших галактик свої спостережувані всесвіти. Спостерігачі, що знаходяться в Андромеді, можуть бачити галактики, які недоступні нам, просто через те, що вони трохи ближче до них; зате вони не можуть споглядати ті, які розглядаємо ми. Їх спостерігається Всесвіт теж була розміром з грейпфрут. Можна уявити, що рання Всесвіт була схожа на купу цих фруктів, безмежно простирається у всіх напрямках. Значить, уявлення про те, що Великий вибух був «маленьким», помилково. Простір Всесвіту безмежно. І як його ні стискуй, воно таким і залишиться.

швидше за світло

Хибні уявлення бувають пов'язані і з кількісним описом розширення. Швидкість, з якою збільшуються відстані між галактиками, підпорядковується простий закономірності, виявленої американським астрономом Едвіном Хабблом (Edwin Hubble) в 1929 р: швидкість видалення галактики v прямо пропорційна його віддалі від нас d, або v \u003d Hd. Коефіцієнт пропорційності H називається постійної Хаббла і визначає швидкість розширення простору як навколо нас, так і навколо будь-якого спостерігача у Всесвіті.

Деяких збиває з пантелику те, що не всі галактики підкоряються закону Хаббла. Найближча до нас велика галактика (Андромеда) взагалі рухається до нас, а не від нас. Такі винятки бувають, оскільки закон Хаббла описує лише середнє поведінку галактик. Але кожна з них може мати і невелике власне рух, оскільки галактики гравітаційно впливають один на одного, як, наприклад, наша Галактика і Андромеда. Віддалені галактики також мають невеликі хаотичні швидкості, але при великій відстані від нас (при великому значенні d) ці випадкові швидкості мізерно малі на тлі великих швидкостей видалення (v). Тому для далеких галактик закон Хаббла виконується з високою точністю.

Відповідно до закону Хаббла, Всесвіт розширюється ні з постійною швидкістю. Деякі галактики віддаляються від нас зі швидкістю 1 тис. Км / с, інші, що знаходяться вдвічі далі, зі швидкістю 2 тис. Км / с, і т.д. Таким чином, закон Хаббла вказує, що, починаючи з деякої відстані, званого Хаббловском, галактики віддаляються з надсвітовою швидкістю. Для виміряного значення постійної Хаббла ця відстань складає близько 14 млрд. Світлових років.

Але хіба приватна теорія відносності Ейнштейна не стверджує, що ніякої об'єкт не може мати швидкість вище швидкості світла? Таке питання ставив в глухий кут багато поколінь студентів. А відповідь полягає в тому, що приватна теорія відносності застосовна лише до «нормальним» швидкостям - до руху в просторі. У законі Хаббла мова йде про швидкість видалення, викликаного розширенням самого простору, а не рухом в просторі. Цей ефект загальної теорії відносності не підкоряється приватної теорії відносності. Наявність швидкості видалення вище швидкості світла ніяк не порушує приватну теорію відносності. Як і раніше вірно, що ніхто не може наздогнати промінь світла.

ЧИ МОЖУТЬ ГАЛАКТИКИ ВИДАЛЯТИМУТЬСЯ СО ШВИДКІСТЮ ВИЩЕ ШВИДКОСТІ СВІТЛА?

НЕВІРНО: Приватна теорія відносності Ейнштейна забороняє це. Розглянемо область простору, що містить кілька галактик. Через її розширення галактики віддаляються від нас. Чим далі галактика, тим більше її швидкість (червоні стрілки). Якщо швидкість світла - межа, то швидкість видалення повинна в підсумку стати постійною.

ВІРНО: Зрозуміло, можуть. Приватна теорія відносності не розглядає швидкість видалення. Швидкість видалення нескінченно зростає з рассто- яніем. Далі деякої відстані, званого Хаббловском, вона перевищує швидкість світла. Це не є порушенням теорії відносності, пос -Кольку видалення викликано не рухом в просторових стве, а розширенням самого простору.

ЧИ МОЖНА ПОБАЧИТИ ГАЛАКТИКИ, видаляти ШВИДШЕ СВІТЛА?

НЕВІРНО: Звичайно, ні. Світло від таких галактик відлітає разом з ними. Нехай галактика знаходиться за межею Хаббловском відстані (сфера), тобто віддаляється від нас швидше за швидкість світла. Вона випускає фотон (позначено жовтим кольором). Поки фотон летить крізь простір, саме воно розширюється. Відстань до Землі збільшується швидше, ніж рухається фотон. Він ніколи не досягне нас.

ВІРНО: Звичайно можна, оскільки швидкість розширення змінюється з часом. Спочатку фотон дійсно зноситься розширенням. Однак Хаббловском відстань не завжди: воно збільшується, і в кінці кінців фотон може потрапити в сферу Хаббла. Як тільки це станеться, фотон буде рухатися швидше, ніж видаляється Земля, і він зможе досягти нас.

розтягування фотонів

Перші спостереження, що показують, що Всесвіт розширюється, були зроблені між 1910 і 1930 У лабораторії атоми випускають і поглинають світло завжди на певних довжинах хвиль. Те ж спостерігається і в спектрах далеких галактик, але зі зміщенням в довгохвильову область. Астрономи говорять, що випромінювання галактики зазнає червоне зміщення. Пояснення просте: у результаті розширення простору світлова хвиля розтягується і тому слабшає. Якщо протягом того часу, поки світлова хвиля дійшла до нас, Всесвіт розширилася вдвічі, то і довжина хвилі подвоїлася, а її енергія ослабла в два рази.

ГІПОТЕЗА УТОМИ

Кожен раз, коли Scientific American публікує статтю з космології, багато читачів пишуть нам, що, на їхню думку, галактики насправді не віддаляються від нас і що розширення простору - ілюзія. Вони вважають, що червоне зміщення в спектрах галактик викликано чимось на зразок «втоми» від довгої поїздки. Якийсь невідомий процес змушує світло, поширюючись крізь простір, втрачати енергію і тому червоніти.

Цією гіпотезою вже понад півстоліття, і на перший погляд вона виглядає розумною. Але вона абсолютно не узгоджується зі спостереженнями. Наприклад, коли зірка вибухає як наднова, вона спалахує, а потім тьмяніє. Весь процес триває приблизно два тижні у наднових того типу, який астрономи використовують для визначення відстаней до галактик. За цей період часу наднова випромінює потік фотонів. Гіпотеза втоми світла каже, що за час шляху фотони втратять енергію, але спостерігач все одно отримає потік фотонів тривалістю в два тижні.

Однак в розширенні просторі не тільки самі фотони розтягуються (і тому втрачають енергію), а й їх потік також розтягується. Тому потрібно більше двох тижнів, щоб все фотони дісталися до Землі. Спостереження підтверджують такий ефект. Спалах наднової в галактиці з червоним зміщенням 0,5 спостерігається три тижні, а в галактиці з червоним зміщенням 1 - місяць.

Гіпотеза втоми світла суперечить також спостереженнями спектра реліктового випромінювання та вимірювань поверхневої яскравості далеких галактик. Прийшов час відправити на спокій «стомлений світло» (Чарльз Ліневівер і Тамара Девіс).

Наднові зірки, як ця в скупченні галактик в Діві, допомагають вимірювати космічне розширення. Їх спостережувані властивості виключають альтернативні космологічні теорії, в яких простір не розширюється.

Процес можна описати в термінах температури. Електрони, що випускаються тілом фотони мають розподіл по енергії, яке в цілому характеризують температурою, що вказує, наскільки тіло гаряче. Коли фотони рухаються в розширенні просторі, вони втрачають енергію і їх температура знижується. Таким чином, Всесвіт при розширенні охолоджується, як стиснене повітря, що виривається з балона аквалангіста. Наприклад, реліктове випромінювання зараз має температуру близько 3 К, тоді як воно народилося при температурі близько 3000 К. Але з того часу Всесвіт збільшилася в розмірі в 1000 разів, а температура фотонів знизилася в стільки ж разів. Спостерігаючи газ в далеких галактиках, астрономи прямо вимірюють температуру цього випромінювання в далекому минулому. Вимірювання підтверджують, що Всесвіт з часом охолоджується.

У зв'язку між червоним зміщенням і швидкістю також існують деякі суперечності. Червоний зсув, викликаний розширенням, часто плутають з більш знайомим червоним зміщенням, викликаним ефектом Доплера, який зазвичай робить звукові хвилі довшими, якщо джерело звуку віддаляється. Те ж вірно і для світлових хвиль, які стають довшими, якщо джерело світла віддаляється в просторі.

Доплеровське червоне зміщення і космологічне червоне зміщення - речі абсолютно різні і описуються різними формулами. Перша випливає з приватної теорії відносності, яка не бере до уваги розширення простору, а друга випливає з загальної теорії відносності. Ці дві формули майже однакові для довколишніх галактик, але розрізняються для віддалених.

Відповідно до формули Доплера, якщо швидкість об'єкта в просторі наближається до швидкості світла, то його червоне зміщення прямує до нескінченності, а довжина хвилі стає занадто великий і тому недоступний для спостереження. Якби це було вірно для галактик, то найвіддаленіші видимі об'єкти на небі віддалялися б зі швидкістю, помітно меншою швидкості світла. Але космологічна формула для червоного зсуву призводить до іншого висновку. В рамках стандартної космологічної моделі галактики з червоним зміщенням близько 1,5 (тобто приймається довжина хвилі їх випромінювання на 50% більше лабораторного значення) видаляються зі швидкістю світла. Астрономи вже виявили близько 1000 галактик з червоним зміщенням більше 1,5. А значить, нам відомо близько 1000 об'єктів, що віддаляються швидше за швидкість світла. Реліктове випромінювання приходить з ще більшої відстані і має червоний зсув близько 1000. Коли гаряча плазма молодому Всесвіті випускала прийняте нами сьогодні випромінювання, вона віддалялася від нас майже в 50 разів швидше за швидкість світла.

Біг на місці

Важко повірити, що ми можемо бачити галактики, що рухаються швидше за швидкість світла, проте це можливо через зміни швидкості розширення. Уявіть промінь світла, що йде до нас з відстані більшого, ніж відстань Хаббла (14 млрд. Світлових років). Він рухається до нас зі швидкістю світла щодо свого місця розташування, але саме воно віддаляється від нас швидше за швидкість світла. Хоча світло спрямовується до нас з максимально можливою швидкістю, він не може встигнути за розширенням простору. Це нагадує дитини, що намагається бігти в зворотну сторону по ескалатору. Фотони на Хаббловском відстані переміщуються з максимальною швидкістю, щоб залишатися на колишньому місці.

Можна подумати, що світло з областей, віддалених далі відстані Хаббла, ніколи не зможе дійти до нас і ми його ніколи не побачимо. Але відстань Хаббла не залишається незмінним, оскільки постійна Хаббла, від якої воно залежить, змінюється з часом. Ця величина пропорційна швидкості розбігання двох галактик, поділеній на відстань між ними. (Для обчислення можна використовувати будь-які дві галактики.) У моделях Всесвіту, які узгоджуються з астрономічними спостереженнями, знаменник збільшується швидше чисельника, тому постійна Хаббла зменшується. Отже, відстань Хаббла зростає. А раз так, світло, який спочатку сягав нас, може згодом виявитися в межах Хаббловском відстані. Тоді фотони опиняться в області, віддаляється повільніше швидкості світла, після чого вони зможуть дістатися до нас.

ЧИ СПРАВДІ КОСМІЧНЕ ЧЕРВОНЕ ЗСУВ - ЦЕ доплеровское усунення?

НЕВІРНО: Так, тому що віддаляються галактики рухаються в просторі. В ефекті Доплера світлові хвилі розтягуються (стаючи більш червоними), коли їх джерело віддаляється від спостерігача. Довжина хвилі світла не змінюється під час його подорожі крізь простір. Спостерігач бере світло, вимірює його червоне зміщення і обчислює швидкість галактики.

ВІРНО: Ні, червоне зміщення не має ніякого відношення до ефекту Доплера. Галактика майже нерухома в просторі, тому випромінює світло однакової довжини хвилі у всіх напрямках. За час шляху довжина хвилі стає більше, оскільки простір розширюється. Тому світло поступово червоніє. Спостерігач бере світло, вимірює його червоне зміщення і обчислює швидкість галактики. Космічне червоне зміщення відрізняється від доплерівського зсуву, що підтверджують спостереження.

Однак галактика, що послала світло, може продовжувати віддалятися з надсвітовою швидкістю. Таким чином, ми можемо спостерігати світло від галактик, які, як і раніше, завжди будуть видалятися швидше за швидкість світла. Одним словом, Хаббловском відстань не фіксоване і не вказує нам межі спостережуваного Всесвіту.

А що насправді відзначає кордон спостережуваного простору? Тут теж відбувається якась плутанина. Якби простір не розширювалося, то найвіддаленіший об'єкт ми могли б спостерігати тепер на відстані близько 14 млрд. Світлових років від нас, тобто на відстані, яку світло подолав за 14 млрд. років, що минули з моменту Великого вибуху. Але оскільки Всесвіт розширюється, простір, яке вони перетнули фотоном, розширилося за час його шляху. Тому поточна відстань до найвіддаленішого з спостережуваних об'єктів приблизно втричі більше - близько 46 млрд. Світлових років.

Раніше космологи думали, що ми живемо в сповільнення Всесвіту і тому можемо спостерігати все більше і більше галактик. Однак в ускоряющейся Всесвіту ми відгороджені кордоном, поза якою ніколи не побачимо події, що відбуваються - це космічний горизонт подій. Якщо світло від галактик, що віддаляються швидше за швидкість світла, досягне нас, значить, відстань Хаббла збільшиться. Але в ускоряющейся Всесвіту його збільшення заборонено. Віддалене подія може послати промінь світла в нашому напрямку, але цей світ назавжди залишиться за межею відстані Хаббла через прискорення розширення.

Як бачимо, що прискорюється Всесвіт нагадує чорну діру, теж має горизонт подій, ззовні якого ми не отримуємо сигналів. Нинішнє відстань до нашого космічного горизонту подій (16 млрд. Світлових років) цілком лежить в межах нашої спостерігається області. Світло, випущений галактиками, які перебувають зараз далі космічного горизонту подій, ніколи не зможе досягти нас, тому що відстань, яке зараз відповідає 16 млрд. світлових років, буде розширюватися дуже швидко. Ми зможемо побачити події, що відбувалися в галактиках перш, ніж вони перетнули горизонт, але про подальші події ми не дізнаємося ніколи.

У Всесвіті розширюється все?

Люди часто думають, що якщо простір розширюється, то і все в ньому теж розширюється. Але це невірно. Розширення як таке (тобто за інерцією, без прискорення або уповільнення) не виробляє ніякої сили. Довжина хвилі фотона збільшується разом зі зростанням Всесвіту, оскільки на відміну від атомів і планет фотони не зв'язані об'єкти, розміри яких визначаються рівновагою сил. Змінюється швидкість розширення дійсно вносить нову силу в рівновагу, але і вона не може змусити об'єкти розширюватися або стискатися.

Наприклад, якби гравітація стала сильнішою, ваш спинний мозок стиснувся б, поки електрони в хребті не дійшли б нового положення рівноваги, трохи ближче один до одного. Ваш зростання трохи зменшився б, але стиснення на цьому припинилося б. Точно так же, якби ми жили у Всесвіті з переважанням сил тяжіння, як ще кілька років тому вважала більшість космологів, то розширення сповільнювався б, а на всі тіла діяло б слабке стиснення, що змушує їх досягати меншого рівноважного розміру. Але, досягнувши його, вони б більше не стискалися.

НАСКІЛЬКИ ВЕЛИКА спостережуваному Всесвіті?

НЕВІРНО: Всесвіті 14 млрд. Років, тому що спостерігається її частина повинна мати радіус 14 млрд. Світлових лет.Рассмотрім найдальшу з спостережуваних галактик - ту, чиї фотони, випущені відразу після Великого вибуху, тільки тепер досягли нас. Світловий рік - це відстань, яку проходить фотоном за рік. Значить, фотон подолав 14 млрд. Світлових років

ВІРНО: Оскільки простір розширюється, що спостерігається область має радіус більше, ніж 14 млрд. Світлових років. Поки фотон подорожує, простір, яке він перетинає, розширюється. До моменту, коли він досягає нас, відстань до випустив його галактики стає більше, ніж просто обчислене за часом польоту, - приблизно втричі більше

Фактично ж розширення прискорюється, що викликано слабкою силою, «роздувати» все тіла. Тому пов'язані об'єкти мають розміри трохи більше, ніж були б у неускоряющейся Всесвіту, оскільки рівновага сил досягається у них при трохи більшому розмірі. На поверхні Землі прискорення, спрямоване назовні, від центру планети, становить мізерну частку ($ 10 ^ (- 30) $) нормального гравітаційного прискорення до центру. Якщо це прискорення незмінно, то воно не змусить Землю розширюватися. Просто планета приймає трохи більший розмір, ніж він був би без сили відштовхування.

Але все зміниться, якщо прискорення не постійно, як вважають деякі космологи. Якщо відштовхування збільшується, то це може врешті-решт викликати руйнування всіх структур і привести до «Великому розриву», який відбувся б не через розширення або прискорення як такого, а тому що прискорення прискорювалося б.

А ОБ'ЄКТИ ВО ВСЕСВІТУ ТЕЖ розширювати?

НЕВІРНО: Так. Розширення змушує Всесвіт і все що знаходиться в ній збільшуватися. Як об'єкт розглянемо скупчення галактик. Раз Всесвіт стає більше, то і скупчення - також. Кордон скупчення (жовта лінія) розширюється.

ВІРНО: Ні. Всесвіт розширюється, але пов'язані об'єкти в ній не роблять цього. Сусідні галактики спочатку видаляються, але в кінцевому рахунку їх взаємне притягання пересилює розширення. Формується скупчення такого розміру, яке відповідає його рівноважного стану.

У міру того як нові точні вимірювання допомагають космологам краще зрозуміти розширення і прискорення, вони можуть задатися ще більш фундаментальними питаннями про самих ранніх миттєвостей і найбільших масштабах Всесвіту. Чим було викликано розширення? Багато космологи вважають, що в цьому винен процес, званий «інфляцією» (роздуванням), особливий тип прискореного розширення. Але можливо, це лише часткову відповідь: щоб вона почалася, схоже, Всесвіт вже повинна була розширюватися. А що щодо найбільших масштабів за межею наших спостережень? Розширюються чи різні частини Всесвіту по-різному, так, що наш Всесвіт - це всього лише скромний інфляційний міхур в гігантській сверхвселенной? Ніхто не знає. Але ми сподіваємося, що з часом ми зможемо прийти до розуміння процесу розширення Всесвіту.

ПРО АВТОРІВ:
Чарльз Ліневівер (Charles H. Lineweaver) і Тамара Девіс (Tamara M. Davis) - астрономи з австралійської обсерваторії Маунт-Стромло. На початку 1990-х рр. в Каліфорнійському університеті в Берклі Ліневівер входив до групи вчених, які відкрили за допомогою супутника COBE флуктуації реліктового випромінювання. Він захистив дисертацію не тільки з астрофізики, а й з історії та англійської літератури. Девіс працює над створенням космічної обсерваторії Supernova / Acceleration Probe (Дослідник наднових зірок і прискорення).

ЗАУВАЖЕННЯ ДО СТАТТІ «ПАРАДОКСИ ВЕЛИКОГО ВИБУХУ»
Професор Засов Анатолій Володимирович, фіз. ф-т МГУ: Всі непорозуміння, з якими сперечаються автори статті, пов'язані з тим, що для наочності найчастіше розглядають розширення обмеженого обсягу Всесвіту в жорсткій системі відліку (причому розширення досить маленькій області, щоб не враховувати різницю ходу часу на Землі і на далеких галактиках в земній системі відліку). Звідси уявлення і про вибух, і про доплеровском зміщенні, і поширена плутанина зі швидкостями руху. Автори ж пишуть, і пишуть правильно, як все виглядає в неінерціальної (супутньої) системі координат, в якій зазвичай працюють космологи, хоча в статті прямо не говориться про це (в принципі, все відстані і швидкості залежать від вибору системи відліку, і тут завжди є якийсь свавілля). Єдино, що написано нечітко, так це те, що не визначено, що ж у Всесвіті розуміється під відстанню. Спочатку у авторів це швидкість світла, помножена на час поширення, а далі йдеться про те, що необхідний ще облік розширення, яке видалило галактику ще більше, поки світло було в дорозі. Таким чином, відстань вже розуміється як швидкість світла, помножена на час поширення, яке він витратив би, якби галактика перестала віддалятися і випромінюючи світло зараз. Насправді все складніше. Відстань - величина модельно залежна і безпосередньо з спостережень отримується, тому космологи без нього прекрасно обходяться, замінюючи червоним зміщенням. Але може бути, більш строгий підхід тут і недоречний.