Время расширения вселенной и постоянная хаббла. Постоянная Хаббла. Расширение вселенной. Закон Хаббла. Три вида туманностей

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.

v = H 0 r , {\displaystyle v=H_{0}r,}

где v {\displaystyle v} - скорость галактики, r {\displaystyle r} - расстояние до неё, а H 0 {\displaystyle H_{0}} - коэффициент пропорциональности, сегодня называемый постоянной Хаббла .

Однако в современных работах наблюдателей эта зависимость принимает вид:

c z = H 0 r , {\displaystyle cz=H_{0}r,} t H = r V = 1 H 0 . {\displaystyle t_{H}={\frac {r}{V}}={\frac {1}{H_{0}}}.}

Эта величина с точностью до численного множителя порядка единицы соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Закон Хаббла

✪ ЧТО СЕЙЧАС ПРОИСХОДИТ СО ВСЕЛЕННОЙ ★ Vera Space

✪ Радиус наблюдаемой Вселенной (поправка)

✪ Валерий Рубаков: Как расширяется Вселенная

✪ Почему пульсируют цефеиды

Субтитры

Уже в нескольких видео мы упоминали, что все объекты межзвездного масштаба удаляются от Земли. И мы также говорили, что чем дальше находится объект от Земли, тем быстрее он удаляется. В этом видео я хотел бы привести некоторые числовые параметры этих процессов, чтобы лучше понимать их сущность. Чтобы составить представление, вообразим несколько точек на ранней стадии развития Вселенной. Вот одна, другая, ещё одна и ещё точка. Возьмём девять точек, чтобы сформировать решетку. Итак, это ранняя стадия существования Вселенной. Спустя несколько миллиардов лет - естественно, я не рисую в масштабе – все эти точки удалились друг от друга. Эта точка сместилась туда - перерисую для наглядности весь столбец. Одну секунду. Итак, спустя несколько миллиардов лет Вселенная расширилась. И объекты удалились друг от друга. Сейчас помечу цветом. Эта точка будет фиолетовой. И она переместилась сюда. Зеленая точка удалилась от фиолетовой. А синяя удалилась от фиолетовой в этом направлении. И так далее... Желтая точка, может быть, здесь. Полагаю, вам понятен принцип. Остальные точки будут желтые. И все они удалились друг от друга, так что никакого центра нет. Каждый объект просто удаляется от соседних. Из этого следует, что этот объект не только удалится от этого, но и от этого - причем ещё дальше. Потому что здесь имело место не только расширение. Или, формулируя по-другому, кажущаяся скорость удаления объекта при расширении пропорциональна расстоянию до него. Потому что все точки на пути также подвергаются расширению. Вернемся к этому представлению - процесс можно смоделировать, если считать Вселенную бесконечным плоским листом. Мы как будто берем лист эластичного материала и тянем. Мы его растягиваем. Конечно, мы принимаем, что бесконечность может увеличиваться дальше во всех направлениях. Бесконечный лист растягивается, и увеличивается, хотя не имеет границ. Это можно представить также (как мы делали раньше) - в виде трехмерной поверхности четырехмерной сферы. Или же трехмерной поверхности гиперсферы. Итак, на ранних стадиях сфера выглядела вот так. И эти точки находились, соответственно, фиолетовая здесь, зеленая здесь, сюда добавим синюю точку. И нарисуем остальные желтые. Желтые точки здесь. Все точки находятся на поверхности этой сферы. На поверхности сферы. Ясно, что сейчас я рисую в двух измерениях, потому что представить себе трехмерную поверхность четырехмерной сферы трудно или просто невозможно. Так что мы работаем по аналогии. Если это поверхность шарика, или пузыря, если за миллиарды лет пузырь раздувается - естественно, не в таком масштабе. То получится пузырь большего размера. Эта часть поверхности увеличится. Снова - вот фиолетовая точка. Вот синяя и вот зеленая точки, остальные изображу желтым цветом. Они все удалились друг от друга на поверхности этой сферы. Чтобы показать, что это сфера, я нарисую контуры. Вот так можно показать, что мы на поверхности настоящей, настоящей сферы. Разобравшись с этим, посмотрим, с какой кажущейся скоростью объекты удаляются от нас? Поскольку удаление объектов от нас зависит не только от скорости относительно наблюдателя, но и от исходного удаления от наблюдателя, то есть от нас. Итак, сейчас мы все, что нам нужно запишем. Все объекты, все объекты удаляются друг от друга, удаляются друг от друга, и кажущаяся относительная скорость. Относительная скорость, кажущаяся относительная скорость пропорциональна расстоянию. Пропорциональна расстоянию. И то, что я записал - почему, я собственно, это записал, и есть одна из формулировок закона Хаббла. Закон Хаббла. Он открыл этот закон, наблюдая как изменяется красное смещение объектов с удалением. И они двигались не только быстрее от земли, но также их кажущееся движение друг от друга ускорялось с увеличением расстояния. Так и появился закона Хаббла. Или, иначе говоря, относительно любой точки, относительно земли, воспринимаемая скорость с которой объект движется, будет представлять собой некую константу, умноженную на расстояние от него до наблюдателя. В этом случае наблюдатель - мы. Мы ставим этот ноль – а эта H называется Постоянной Хаббла. Постоянная Хаббла. И это очень непостоянная постоянная. Потому что она зависит от стадии эволюции Вселенной. Поэтому мы ставим этот маленький нолик сюда, чтобы показать – это нынешнее значение постоянной Хаббла. И, говоря о расстоянии, мы имеем в виду актуальное расстояние на текущий момент. Актуальное расстояние на текущий момент. Это имеет большое значение, потому что данное текущее значение постоянно меняется с расширением Вселенной. Поэтому от начала этого видео до конца оно слегка изменится. Но мы можем несколько округлить для рассматриваемого периода, и, когда мы говорим о расстояниях, мы имеем в виду виртуальные жёсткие и мгновенно прикладываемые линейки – естественно, в реальности такое невозможно. Но подобное можно вообразить, что мы и пытаемся делать. Попробуем ввести немного математики - рассчитать реальную скорость удаления. Давайте займемся подсчетами. Итак, нам нужно вычислить реальную скорость удаления. Попробую найти свободное место – сейчас постоянная Хаббла составляет 70,6 плюс/минус 3,1. То есть наблюдается некая разнородность. Имеется погрешность в измерениях, а единица измерения при этом – километры в секунду на мегапарсек. Километры в секунду на мегапарсек. Мегапарсек. При этом не забываем – парсек равен примерно 3,2- 3,3 светового года. Если попробовать это представить себе иначе, предположим, наше местоположение во Вселенной – здесь, и если этот объект удалён на расстояние 1 мегапарсека, то есть на 1 миллион парсеков или 3,26 миллиона световых лет от Земли, повторю – 3,26 миллиона световых лет от Земли, и он, естественно, при наблюдении удаляется от нас, хотя при этом не смещается в пространстве, это содержащее его пространство растягивается так, что объект, по данным красного смещения, удаляется со скоростью 70,6 километров в секунду. 70,6 это огромная скорость - 70,6 километров в секунду, но надо учитывать, что мы рассматриваем масштабы мегапарсеков. Масштабы мегапарсеков. Расстояние до галактики Андромеды менее одного мегапарсека - оно составляет 2,5 миллиона световых лет, то есть около 0,7-0,8 мегапарсека. Так что точка в пространстве, немного более удалённая, чем галактика Андромеда, будет наблюдаться как удаляющаяся со скоростью около 70,6 километра в секунду. Но что будет, если удалиться на вдвое большее расстояние? Если посмотреть на объект, удалённый почти на 7 млн световых лет? То есть на расстоянии в 2 мегапарсека? Если посмотреть на него отсюда, насколько бы он быстро удалялся? Если посмотреть, расстояние составит 2 мегапарсека, то есть вдвое больше. Следует умножить 2 мегапарсека на постоянную. Мегапарсеки сокращаются. То есть 70,6 на 2 - при этом сам объект не движется в пространстве, это пространство расширяется. Так что кажущаяся скорость будет 70,6 на 2 - что составит 141,2 км/с. Здесь может возникнуть вопрос - если можно наблюдать красное смещение объектов, удаляющихся от нас, то как можно определить, что они удаляются также друг от друга? Если посмотреть на красное смещение этого объекта и измерить все это, то будет видно, что он удаляется со скоростью 70,6 километра в секунду. А потом можно посмотреть на другой объект и, на основе его красного смещения, заключить, что он удаляется со скоростью 141,2 километра в секунду, то можно заключить, что эти два объекта удаляются друг от друга со скоростью 70,6 км/с. И это можно применить к различным расстояниям. Надеюсь, это проясняет масштаб расстояний и скоростей. Помните, хоть я и говорил, что это колоссальное расстояние, мегапарсек больше, чем расстояние до галактики Андромеда. Галактика Андромеда – ближайшая к нам крупная галактика. Существуют более мелкие, расположенные ближе, которые являются как бы галактиками-спутниками Млечного Пути. Но галактика в созвездии Андромеды – ближайшая к нам крупная. И мы вообще говорим о сотнях миллиардов галактик только в пределах наблюдаемой Вселенной. Наблюдаемой. Так что при приближении к краю наблюдаемой Вселенной эти скорости, наблюдаемые скорости удаления объектов от нас, становятся весьма существенными. Subtitles by the Amara.org community

История открытия

В 1913-1914 годах американский астроном Весто Слайфер установил, что Туманность Андромеды и ещё более десятка небесных объектов движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями (порядка 1000 км/с). Это означало, что все они находятся за пределами Галактики (ранее многие астрономы полагали, что туманности представляют собой формирующиеся в нашей Галактике планетные системы). Другой важный результат: все исследованные Слайфером туманности, кроме трёх, удалялись от Солнечной системы. В 1917-1922 годах Слайфер получил дополнительные данные, подтвердившие, что скорость почти всех внегалактических туманностей направлена прочь от Солнца. Артур Эддингтон на основе обсуждавшихся в те годы космологических моделей Общей теории относительности предположил, что этот факт отражает общий природный закон: Вселенная расширяется , и чем дальше от нас астрономический объект, тем больше его относительная скорость.

Вид закона для расширения Вселенной был установлен экспериментально для галактик бельгийским учёным Жоржем Леметром в 1927 году , а позже - знаменитым Э. Хабблом в 1929 году с помощью 100-дюймового (254 см) телескопа обсерватории Маунт-Вилсон , который позволил разрешить ближайшие галактики на звезды. Среди них были цефеиды , используя зависимость «период-светимость» которых, Хаббл измерил расстояние до них, а также красное смещение галактик, позволяющее определить их радиальную скорость.

Полученный Хабблом коэффициент пропорциональности составлял около 500 км/с на мегапарсек . Современное значение составляет 67,80 ± 0,77 км/с на мегапарсек . Столь существенную разницу обеспечивают два фактора: отсутствие поправки нуль-пункта зависимости «период-светимость» на поглощение (которое тогда ещё не было открыто) и существенный вклад собственных скоростей в общую скорость для местной группы галактик .

Теоретическая интерпретация наблюдений

Современное объяснение наблюдений дается в рамках Вселенной Фридмана. Допустим есть источник, расположенный в сопутствующей системе на расстоянии r 1 от наблюдателя. Приемная аппаратура наблюдателя регистрирует фазу приходящей волны. Рассмотрим два интервала между точками с одной и той же фазой :

δ t 1 δ t 0 = ν 0 ν 1 ≡ 1 + z {\displaystyle {\frac {\delta t_{1}}{\delta t_{0}}}={\frac {\nu _{0}}{\nu _{1}}}\equiv 1+z}

С другой стороны для световой волны в принятой метрике выполняется равенство:

d t = ± a (t) d r 1 − k r 2 {\displaystyle dt=\pm a(t){\frac {dr}{\sqrt {1-kr^{2}}}}}

Проинтегрировав это уравнение получим:

∫ t 0 t 1 d t a (t) = ∫ 0 r c d r 1 − k r 2 {\displaystyle \int \limits _{t_{0}}^{t_{1}}{\frac {dt}{a(t)}}=\int \limits _{0}^{r_{c}}{\frac {dr}{\sqrt {1-kr^{2}}}}}

Учитывая что в сопутствующих координатах r не зависит от времени, и малость длины волны относительно радиуса кривизны Вселенной, получим соотношение:

δ t 1 a (t 1) = δ t 0 a (t 0) {\displaystyle {\frac {\delta t_{1}}{a(t_{1})}}={\frac {\delta t_{0}}{a(t_{0})}}}

Если теперь его подставить в первоначальное соотношение:

1 + z = a (t 0) a (t 1) {\displaystyle 1+z={\frac {a(t_{0})}{a(t_{1})}}}

Разложим a(t) в ряд Тейлора с центром в точке a(t 1) и учтем члены только первого порядка:

a (t) = a (t 1) + a ˙ (t 1) (t − t 1) {\displaystyle a(t)=a(t_{1})+{\dot {a}}(t_{1})(t-t_{1})}

После приведения членов и домножения на c :

c z = a ˙ (t 1) a (t 1) c (t − t 1) = H D {\displaystyle cz={\frac {{\dot {a}}(t_{1})}{a(t_{1})}}c(t-t_{1})=HD}

Соответственно, константа Хаббла:

H = a ˙ (t 1) a (t 1) {\displaystyle H={\frac {{\dot {a}}(t_{1})}{a(t_{1})}}}

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 Н 0 относится к современной эпохе. Величина, обратная постоянной Хаббла, должна быть в таком случае равна времени, прошедшему с момента начала расширения, то есть

print

В статье от 23/05/2013 «Новый взгляд на природу темной энергии (ТЭ) в следствиях ОТО» была предложена версия о глобальном влиянии гравитации космоса на закон Хаббла, в виде поправки на дополнительное синее гравитационное смещение спектра излучения далеких галактик (интерпретация под ТЭ). Это новое направление в исследовании ТЭ, которое неожиданно нашло теоретическое подтверждение, поэтому версия имеет продолжение.

Обратимся к работе Я.Зельдовича и И.Новикова «Строение и эволюция Вселенной» , в главе 3.5. – уравнение (10) рассматривается формула полного закона Хаббла, с учетом синего гравитационного смещения, и комментарии к ней в главе 3.12. стр.123-124, приведем её в более удобной форме:

1+ Z хаббл (R) - 2/3 πρ м GR 2 / С 2 = ν(R)/ ν о , (1)

Где: ρ м - критическая плотность вещества во Вселенной, Z хаббл – космологическое красное смещение, ν(R) – наблюдаемая частота,ν о – истинная частота.

Уравнение (1) интересно своим содержанием, в него входит константа 2/3 πρ м G , назовем её константой гравитационного смещения Λ грав , которая по форме записи аналогична космологической константе Эйнштейна Λ эйнш =4/3 πρ м G в первоначальном варианте . В космологии Λ эйнш связывают с ТЭ, вот чем уникальна формула (1), в ней изначально теоретически был заложен эффект под интерпретацию ТЭ, но это был 1975г.

Проведем анализ уравнения (1), константа Λ грав вытекает из решений Пуассона, для сферически-симметричной однородной Вселенной,

ƒ(R) - ƒ(0) =∆ƒ = 2/3 πρ м GR 2 , (2)

где: ƒ – ньютоновский гравитационный потенциал (ГП).

И показывает, как формируется ГП Вселенной, из уравнения (2) следует, что основной вклад в формирование ГП вносят далекие массы, для гравитационно-связанной (видимой) части Вселенной радиусом R всел (t)= C∆ t (где ∆ t – возраст Вселенной). В уравнениях Фридмана произведение ρ э R 2 всел является константой по всей стреле времени, а это означает, что ГП во всех точках Вселенной и по всей стреле времени является константой, подставив современные значения параметров Вселенной в уравнение (2) мы получаем,

∆ƒ = 2/3 πρ м GR 2 =0.75*3.14*9.6*10 -26 *6.7*10 -11 *1.7*10 52 =3*10 16 ≈С 2

примерно равен скорости света в квадрате. Тогда параметр R в уравнении (2) приобретает конкретное значение, как радиус видимой части Вселенной, и применять произвольно расстояния для вычисления ГП недопустимо, он везде одинаков.

Возникает вопрос, о каком синем гравитационном смещении спектра излучения идет речь в уравнении (1), если гравитационное поле Вселенной глобально однородно, именно по этой причине поправка на синее гравитационное смещение - 2/3 πρ м GR 2 / С 2 в космологии не рассматривается. С другой стороны, простота, а главное естественность объяснения природы ТЭ вполне логичны и предельно привлекательны, возможно поправка Зельдовича- Новикова связана с вопросом: подчиняется ли гравитация (как вид энергии) закону космологического красного смещения Хаббла , обратимся к теории инфляции.

Одним из ключевых и непременным условием теории инфляции, являются нулевые энергетические условия происхождения и в дальнейшем развития Вселенной, отрицательная энергия гравитации космоса, строго равна положительной энергии всего вещества и излучения. И этот энергетический баланс должен соблюдаться по всей стреле времени, ОТО этим условиям не противоречат, более того они в какой-то мере вытекают из ОТО, конкретно.

1. Равенство гравитационной и инертной массы

Эта аксиома позволяет формально записать нулевые условия в виде

М всел С 2 + М всел ∆ƒ=0

Где: М всел С 2 - полная энергия всего вещества и излучения; М всел ∆ƒ – гравитационная энергия всей Вселенной.

Из уравнения следует, что ∆ƒ= -С 2 , вопрос как формируется ∆ƒ , рассматривается далее.

2. Гравитация не имеет экранов и носит накопительный характер.

ГП для конкретной точки формируется за счет наложения (накопления) ГП от источников гравитации по всему объему Вселенной и в принципе позволяет достичь ГП= -С 2 .

3. Скорость распространения гравитации равна скорости света

Это условие позволяет ограничить область формирования ГП, областью видимой части Вселенной, в противном случае ГП стремиться к бесконечности.

4. Энергия в ОТО гравитирует

Это следствие из ОТО позволяет ответить на вопрос: подчиняется ли гравитация (как вид энергии) закону космологического красного смещения Хаббла.

Энергия в ОТО гравитирует, поэтому все расчеты в современной космологии ведутся через плотность энергии, так удобнее и проще. Вот и мы, упростим задачу и в качестве наблюдателя, проведем анализ параметров ранней Вселенной, когда доминировало излучение, источником гравитации однозначно становится излучение (веществом и темной материей можно пренебречь). Вселенная расширяется с замедлением, тогда энергия квантов приходящих к наблюдателю, согласно закону Хаббла, падает пропорционально расстоянию и для границ видимой части Вселенной, стремится к нулю. Раз энергия источников гравитации стремится к нулю, то в таком же порядке должна уменьшаться энергия гравитации от этих источников, если за горизонтом частиц мы не видим материю, то однозначно, мы не видим и гравитацию, например: если ГП наблюдателя равен –С 2 , то по стреле времени назад ГП, как и энергия квантов, должен стремиться к нулю. Только таким образом соблюдается нулевые энергетические условия.

На основании вышеизложенного, произведем расчеты, у нас есть закон Хаббла

V(R)= HR ,

где: V(R) – скорость Хаббловского расширения пропорциональная расстоянию R .

Возведем обе части его в квадрат,

V 2 (R)= H 2 R 2 , (3)

из WIKI возьмем современное значение критической плотности вещества

ρ м =3Н 2 /8πG ,

из которого следует

Н 2 = 8/3 πρ м G ,

подставим его в уравнение (3)

V 2 (R)= 8/3 πρ м G R 2 .

Мы в праве считать, что изменение скорости расширения, связано с гравитацией космоса, ГП наблюдателя всегда и везде равен –С 2 , и меняется согласно закону Хаббловского расширения как –С 2 + V 2 (R) .

тогда разность ГП составит,

∆ƒ = –С 2 – (-С 2 + V 2 (R)) = - V 2 (R) = 8/3 πρ м G R 2 , (4)

сравним его с уравнением Пуассона

∆ƒ = 2/3 πρ м G R 2 . (2)

Мы видим что, по форме физического содержания уравнения (2) и (4) идентичны, закон Хаббла (в квадрате) однозначен, вытекает из наблюдений и показывает, как формируется ГП по всей стреле времени, при этом оставаясь в каждой точке Вселенной одинаковым. И у нас появляются основания считать, что уравнение (4) это есть закон Хаббла для гравитационного поля Вселенной. Тогда излучение, распространяющееся в гравитирующей Вселенной, должно подвергаться, согласно ОТО, дополнительному гравитационному смещению, т.к. тормозное ускорение всегда направленно к наблюдателю, то смещение должно быть синим, тогда закон Хаббла (1) приобретает вид,

1+ Z хаббл (R) - V 2 (R)/ С 2 = ν(R)/ ν о (5)

Посмотрите внимательно, насколько полно уравнение (5) описывает, и как следствие, объясняет диаграммы Хаббла рис1, на основании которых была открыта ТЭ.

Где красная линия – зависимость расстояний от красного смещения спектра галактик, построенная по наблюдениям сверхновых типа Iа, что соответствует ускоренному расширению Вселенной (Z набл ). Синяя (пунктирная) линия соответствует теоретическим расчетам для линейного расширения Вселенной (Z теор ), тогда разница между,

В 1929 г. Хаббл сообщил об открытии им фундамен­тальной закономерности. Он обнаружил, что линии спект­ров всех галактик, за исключением нескольких галактик из числа самых близких, смещены в красную сторону. Как и в случае смещения спектров звезд, объясняемых явлением Доплера, отношение изменения длины волны Δƛ к самой длине волны ƛ одинаково для всех линий спектра данной галактики. Если объяснять это явление, как обычно, эффектом Доплера, то нужно сделать вывод, что все галактики, за исключением нескольких из числа самых близких, удаляются от нас, и скорость удаления υ каждой галактики определяется из пропорции

υ / c = Δƛ / ƛ (1)

где с - скорость света.

Но этим еще не исчерпывалось открытие. Выяснилось, что чем в среднем слабее галактика, тем сильнее смеще­ны в красную сторону линии ее спектра, а так как сла­бый блеск галактики, вообще говоря, свидетельствует в пользу ее большей удаленности, то можно сделать вывод, что чем дальше находится галактика, тем сильнее смещен ее спектр в красную сторону.

Исследовав вопрос подробно, Хаббл установил, что от­ношение Δƛ / ƛ, определяемое по спектру галактики, про­порционально расстоянию до галактики, т. е. красное смещение в спектрах, галактик пропорционально расстоя­нию до галактик.

Сначала эта закономерность была установлена для ярких и, следовательно, сравнительно близких галактик. Но затем в 1936 и 1953 гг. Хаббл показал, что она спра­ведлива для всех галактик, включая самые слабые, в ре­зультате чего обнаруженная закономерность приобрела характер всеобщего закона. Этот закон, названный зако­ном красного смещения спектров галактик, а иногда называемый законом Хаббла, является одним из фундаментальнейших законов Вселенной, одним из основных законов природы.

Ввиду чрезвычайной важности закона красного сме­щения спектров галактик, покажем, каким способом Хаббл пришел к его установлению, но воспользуемся при этом более обширным материалом лучевых скоростей 806 га­лактик, который получили в 1956 г. Хьюмасон, Мейалл и Сендидж.

Предположим, что закон красного смещения спектров галактик справедлив и, следовательно, выполняется ра­венство

с*(Δƛ / ƛ)= H*r (2)

где с - скорость света, а H - некоторый коэффициент пропорциональности, который в честь Хабла принято обозначать первой буквой его фамилии (Hubble). Тогда, подставляя в известное нам равенство

вместо r его выражение из (2), получим

m = 5lg(c* Δƛ / ƛ) + M – 5 – 5 lg * H (4)

Последние два члена в равенстве- постоянные ве­личины. Если бы была еще одинаковой для всех галактик абсолютная звездная величина М, то, откладывая на оси

абсцисс lg(c* Δƛ / ƛ), а на оси ординат m, находимые из наблюдений галактик, мы, если закон Хаббла выполня­ется, согласно (4) должны были бы получить точкирасполагающиеся строго вдоль некоторой прямой. На са­мом деле абсолютные звездные величины галактик разли­чаются между собой, и притом, как мы знаем, довольно сильно. Вследствие этого (если закон Хаббла выполняется), точки будут располагаться не строго вдоль прямой, а сгруппируются около нее с некоторым разбросом.

График, построенный Хьюмасоном, Мейаллом и Сендиджем, убеждает в справедливости закона Хаббла. Важно здесь также то, что наклон прямой, около которой разбросаны точки, получается как раз таким, каким он должен быть согласно коэффициенту 5, стоящему перед логарифмом в уравнении (4).

Чтобы добиться еще более убедительного результата, уменьшить разброс точек около прямой, Хьюмасон, Мей­алл и Сендидж воспользовались следующим приемом. В 18 скоплениях галактик они измерили красное смеще­ние спектров у первой, третьей, пятой и десятой по яр­кости галактики и определили средние значения lg(c* (Δƛ / ƛ)) и m для них. Можно полагать, что ярчайшие члены скоплений не очень сильно отличаются от скопления к скоплению по абсолютной звездной величине. Кроме того, здесь взяты средние величины. Поэтому, если закон Хаб­бла верен, разброс точек должен сильно уменьшиться.

Как показывает рисунок, это в действительности и прои­зошло. Полученные точки с очень малым разбросом ло­жатся около прямой. Закон Хаббла выражается от­четливо.

Итак, закон подтвержден: для галактик выполняется условие (2).

Но можно ли утверждать, что красное смещение спек­тров галактик есть следствие эффекта Доплера, т. е. что оно вызывается удалением галактик? Если допустить, что это именно так, то из равенств (1) и (2) следует, что

и мы приходим к выводу, к которому астрономы за про­шедшие 45 лет уже привыкли, но который поражает воображение каждого, кто впервые его узнаёт: галактики удаляются со скоростями, пропорциональными их расстояниям! Если одна из них расположена в сто раз даль­ше, чем другая, то она и удаляется от нас в сто раз быстрее.

Хабл объяснял красное смещение спектров галактик эффектом Доплера, поэтому закон (5) также называют законом Хаббла. Нужно, одна­ко, понимать, что закон (2) является безусловно правиль­ным, он проверен наблюде­ниями, а закон (5) верен что смещение спектров вызывается эффектом Доплера, чего наблюдениями доказать нельзя. Можно лишь судить о большей или меньшей степени правдоподобности этого утверждения.

Если бы весь наблюдаемый мир образовался в результате грандиозного взрыва и галактики формировались из матери, разбросанной взрывом, то те из низ, которые зародились в частях материи, получивших в момент взрыва большую скорость, должны были бы к настоящему моменту улететь дальше, в полном согласии с законом Хаббла.

Принятие закона Хаббла в виде (5), утверждающем, что галактики имеют положительные скорости, пропорциональные их расстояниям, должны неизбежно приводить к выводу, что никогда в прошлом (как давно это зависит от коэффициента H) все галактики, или куски материи, из которых они сформировались, вылетели одновременно, но с разными скоростями из некоторого сравнительно малого объема.

Этот вывод имеет настолько большое значение для всех наших представлений о происхождении и строении Вселенной, что прежде чем с ним согласиться, необходи­мо проверить, нет ли других возможностей для объясне­ния красного смещения, кроме эффекта Доплера.

Было предложено несколько иных объяснений. Одно из них, получившее название гипотезы «старения кван­та», состоит в том, что фотоны, т. е. частицы света, при своем движении в пространстве теряют часть энергии, которая в них заключена. Утверждается, что таков закон движения фотона в пространстве. Энергия фотона про­порциональна частоте, т. е. обратно пропорциональна длине волны излучения. Поэтому, по мере того как фотон путе­шествует в пространстве, длина волны излучения стано­вится все больше и весь спектр далекого объекта оказы­вается смещенным в красную сторону, причём величина смещения будет пропорциональна

расстоянию. На малых расстояниях и даже на расстояниях больших (но не очень) эффект старения кванта еще настолько незначите­лен, что его нельзя обнаружить из наблюдений, поэтому он сказывается только в спектрах весьма отдаленных тел - других галактик.

Еще одно объяснение, предложенное вместо эффекта Доплера, состояло в конкретизации причины «старения кванта». Потеря энергии фотоном не есть просто закон его движения, а вызывается взаимодействием с другими фотонами излучения, заполняющими пространство Мета­галактики и движущимися по всевозможным направле­ниям. Чем больший путь проходит фотон, тем в среднем больше взаимодействий он испытывает, тем больше будет красное смещение спектра галактики.

Слабость всех гипотез, сводящихся к «старению кван­та» при движении света в пространстве, состоит в том, что они требуют отказа от закона сохранения энергии. Если «старение кванта» есть просто закон его движения, то энергия теряется, не передаваясь ничему, т. е. закон сохранения энергии нарушается. Если же фотон теряет часть энергии, передавая ее какой-то среде, другим фо­тонам, вообще каким-то частицам, то всякая такая пере­дача энергии должна быть связана с возможностью из­менения направления полета фотона. Фотоны, прошед­шие очень большой путь, должны заметно изменить на­правление своего движения в пространстве. Вследствие этого изображения далеких галактик должны быть раз­мытыми, и чем дальше галактика, тем степень размыто­сти ее изображения должна быть больше.

Но наблюдения показывают, что очертания далеких и очень далеких галактик столь же ясны и отчетливы, как и ближайших к нам звездных систем.

Поэтому гипотезы «старения кванта», серьезно об­суждавшиеся еще лет тридцать назад, в настоящее время почти не находят сторонников.

Только эффект Доплера может приводить к сильному красному смещению спектров галактик и сохранять при этом отчетливые изображения галактик на фотографиче­ских пластинках, такие, какие в действительности наблю­даются. Таким образом, хотя это нельзя считать строго доказанным, а просто ввиду отсутствия других удовлетво­рительных объяснений, разумно считать, что красное смещение спектров галактик действительно вызывается их удалением.

Значит, нужно принять и следствие из этого вывода, а именно, что в некоторый момент в прошлом все галак­тики, или куски материи, из которых образовались галак­тики, были одновременно выброшены по равным направ­лениям и с разными скоростями из маленького объема пространства. Этот фундаментальный космогонический вывод в тридцатые годы нашего века породил гипотезы, рассматривающие взрыв, давший начало галактикам, как сотворение мира в результате божественного акта.

С другой стороны, вывод об имевшем место, казалось бы, начальном моменте существования всей наблюдаемой Вселенной настораживал многих астрономов и вызывал у них недоверие к закону Хаббла. Но попытки игнориро­вать закон, основанный на точных наблюдениях, никогда не приводят к научному прогрессу. В наши дни ста­ло совершенно ясным, что предположение о некотором грандиозном процессе взрывного характера, давшем начало галактикам и сообщившим им различные ско­рости, является наблюдательным фактом, вполне со­гласующимся с материалистическими представлениями о Вселенной.

Взрывные процессы различного масштаба оказались весьма распространенными во Вселенной. Вспышки но­вых звезд, вспышки сверхновых звезд, грандиозный взрыв в ядре галактики NGC 3034 и другие явления, о которых мы будем писать ниже, свидетельствуют о су­ществовании, процессов взрывного характера, показыва­ют, что процессы такого рода - закономерность в эволю­ции Вселенной. Взрывной процесс, давший начало всем наблюдаемым галактикам, следует рассматривать в цепи этих явлений как самое грандиозное из них.

Предположим, что в результате взрыва, происшедшего 1,5 млн. лет назад, в ядре галактики NGC 3034, сформи­ровались звезды. Около одной из них образовалась пла­нетная система и развилась разумная жизнь. Точные научные исследования, которые выполнят разумные су­щества, приведут их к выводу, что планетная система, в которой они живут, и окружающие их звезды образо­вались одновременно в результате взрыва и выбросов из маленькой области внутри ядра галактики 1,5 млн. лет назад. Будет ли такой вывод научным? Разумеется. Тре­бует ли он признания сверхъестественной божественной силы? Нет, конечно. Разумным существам в галактике NGC 3034, как и нам, необходимо будет признать, что наблюдательные данные свидетельствуют о существова­нии и важной роли в космогонии еще неизученных про­цессов взрывного характера. Они, как и мы, должны считать первостепенной задачей изучение этих процессов, связанных с бурным переходом вещества из одного со­стояния в другое. То, что взрывные процессы проявля­ется в различной форме и имеют различные масштабы, должно способствовать изучению сути этих явлений.

Так как все обозреваемое пространство Вселенной заполнено галактиками и никаких иных тел, отклоняю­щихся от закона Хаббла, не наблюдается, то этот закон можно трактовать как общее расширение наблюдаемой области Вселенной, расширение Метагалактики. Можно даже считать, что происходит равномерное и изотропное, т. е. одинаковое во всех точках и во всех направлениях, расширение пространства, влекущее удаление друг от друга тел, в нем находящихся.

Удаление галактик по всем направлениям от земного наблюдателя вовсе не означает, что Земля или, лучше сказать, наша Галактика занимает центральное положе­ние во Вселенной, в Метагалактике. Представьте себе сплошной резиновый шар, который мы каким-нибудь спо­собом равномерно растягиваем по всем направлениям. В какой бы точке этого шара ни находился наблюдатель, в центральной или любой иной, ему будет казаться, что все остальные точки шара от него удаляются, причём удаляются со скоростями, пропорциональными их рас­стояниям. Интересно, что если скорость удаления галак­тик не зависит от направления, то только закон пропорциональности скорости расстояниям не ведет к антропоцентризму - выводу о центральном положении человека во Вселенной. Если бы, например, все галактики, независимо от их расстояний, удалялись от Земли с одинаков вой скоростью, то, как легко себе это представить, положение нашей Галактики во Вселенной было бы исключи­тельным. Только при взгляде из этой точки происходило бы расширение по всем направлениям, и во всех направ­лениях скорость расширения была бы одинаковой. Для каждой из других точек пространства имелось бы направление, в котором расширение отсутствует, а в остальных направлениях скорость расширения была бы различной

Рассматривать удаление галактик как расширение пространства удобно еще вот почему. Галактики, являю­щиеся членами одного и того же скопления галактик, находятся почти на одинаковом расстоянии от нас, так как обычно размеры скопления малы в сравнении с такими расстояниями. Между тем лучевые скорости этих галактик обычно заметно отличаются друг от друга. От­личие намного больше того, которое следует из закона Хаббла, если бы одни галактики находились на ближней к нам, а другие на дальней от нас границах скопления; Это явление объясняется тем, что все скопление галактик удаляется от нас со скоростью, которая у него должна быть согласно закону Хаббла, но внутри скопления каж­дая галактика еще как-то движется по отношению к цен­тру инерции скопления. Поэтому общая скорость галак­тики складывается из двух скоростей - общей согласно закону Хаббла для данного расстояния, т. е. для места данного скопления, и индивидуальной скорости по отно­шению к скоплению, в котором галактика находится.

Индивидуальным движением обладает каждая галак­тика, а не только член скопления. Поэтому общую кар­тину движений галактик лучше всего представлять себе так: все пространство Метагалактики изотропно расширя­ется и увлекает с собой находящиеся в нем галактики, В то же время каждая галактика имеет еще индивиду­альное движение, направление которого может быть любое - и от нас, и к нам, и в любую другую сторону.

Именно благодаря индивидуальным движениям спектры некоторых из самых близких галактик смещены не в красную, а в фиолетовую сторону, т. е. эти галактики к нам приближаются. У близких галактик удаление, вызванное расширением пространства, мало вследствие сравнительной малости расстояния, и эта скорость вполне может быть перекрыта индивидуальной скоростью, если последняя направлена к нам. У далеких же галактик скорость удаления, вызываемая расширением простран­ства, настолько велика, что влияние индивидуальной скорости становится незаметным.

В списке Местной системы галактик 7 галактик имеют отрицательную лучевую скорость, т. е. приближаются к нам. Однако необходимо учесть, что лучевые скорости мы определяем из Солнечной системы, которая сама движется со скоростью около 220 км/с в нашей Галактике. Поэтому чтобы получить скорость дру­гих галактик по отношению к нашей Галактике, а имен­но это и представляет интерес в рассматриваемом вопро­се, необходимо в полученные лучевые скорости внести поправки за скорость Солнца в Галактике.

Если это сделать, то окажется, что лучевая скорость у всех членов Местной системы сохранит знак. В част­ности, у шести членов Местной системы лучевая скорость останется отрицательной, хотя и уменьшится по абсолют­ной величине. Так, туманность Андромеды (NGC 224) действительно приближается к нашей Галактике со ско­ростью 143 км/с, a NGC 185 со скоростью 180 км/с. Исследование лучевых скоростей близких галактик показало, что индивидуальные скорости галактик, распо­ложенных вне скоплений, составляют в среднем 200- 300 км/с, а у галактик - членов некоторых плотных скоплений они больше и равны 400-600 км/с.

Величины красных смещений спектров указывают на очень большие скорости слабых далеких галактик. На­пример, для одной слабой галактики измеренное Минков-ским на Паломарской обсерватории значение Δƛ / ƛ оказа­лось равным 0,46. Следовательно, если применить формулу (1), то скорость удаления галактики будет рав­на 0,46 с или 138 000 км/с. Однако для таких больших скоростей формула (1) неверна. Она приближенно выра­жает закон Доплера лишь в том случае, когда υ очень мала в сравнении с с. Точная формула закона Доплера дается теорией относительности и имеет вид

υ / c = (((Δƛ / ƛ)+1) 2 -1)/(((Δƛ / ƛ)+1) 2 +1) (6)

В случае очень малых Δƛ / ƛ эта формула сводится к равенству (1), а при не очень малых Δƛ / ƛ различие между формулами (1) и (6) существенно. Если, например, смещение длины волны окажется равным самой длине волны (что не невозможно), то по формуле (1) получа­ется предельная в природе скорость υ = с, а по верной формуле (6) υ = (3/5) с. Согласно формуле (6) какие бы большие смещения спектров не наблюдались, скорость удаления меньше скорости света. Для упомянутой выше галактики, имеющей красное смещение спектра Δƛ / ƛ = 0,46, по формуле (6) находим правильное значение υ = 0,36 с или 108000 км/с.

Теперь нам осталось сделать последний и важнейший, шаг в познании закона Хаббла. Нужно определить значение коэффициента пропорциональности H, связывающего в формуле (5) скорость удаления галактик с расстояни­ями до них. Коэффициент H является одной из основных мировых констант - он характеризует скорость расшире­ния мирового пространства.

История определения этого коэффициента изложена в следующих двух постах: и .

Т.А.Агекян «Звезды, Галактики, Метагалактики» 1981 год. Издание третье, переработаное и дополненое

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем .

Ю.Н.Ефремов

Самое грандиозное явление, известное человеку - это расширение нашей Вселенной, доказанное в 1929 г. Расстояния между скоплениями галактик непрерывно возрастают, и это важнейший факт для понимания устройства Мироздания. Определения скорости расширения - постоянной Хаббла, и ее зависимости от времени остаются важнейшим предметом наземных и орбитальных наблюдений.

1. Слабые туманности

Первые признаки расширения Вселенной были обнаружены около 80 лет назад, когда большинство астрономов полагало, что наша Галактика и есть вся Вселенная. Слабые туманные пятнышки, десятки тысяч которых были обнаружены с началом развития астрофотографии, считались далекими газовыми туманностями на окраине всеобъемлющей звездной системы Млечного пути.

Вестон Слайфер на Флагстаффской обсерватории в Аризоне долгие годы был единственным человеком в мире, получавшим спектры этих "слабых туманностей". Самим ярким их представителем была хорошо известная туманность Андромеды. В 1914 г. Слайфер опубликовал первое определение лучевой скорости этой туманности по спектрограмме, полученной им на 24-дюймовом рефракторе.

Оказалось, что М31 приближается к нам со скоростью около 300 км/с. К 1925 г. в коллекции Слайфера были спектры 41 объекта. Странной особенностью обладали эти спектры - скорости у всех из них были очень велики и отрицательная скорость M31 оказалась редким исключением; в среднем скорость туманностей составляла +375 км/с, а наибольшая скорость была +1125 км/с. Почти все они удалялись от нас, и скорости их превышали скорость любых других объектов, известных астрономам. (Напомним, что отрицательные скорости направлены к нам, положительные - от нас.)

Обсерваторию в Флагстаффе Персиваль Ловелл построил специально для наблюдений каналов Марса. Некоторые из нас пришли в астрономию, увлеченные его книгой, в которой рассказывалось о волне потемнения, о расщеплении каналов, переполняемых водой марсианской весны... Однако на этой обсерватории были открыты не менее фантастические, но совершенно реальные вещи. Работа Слайфера означала первый шаг на пути к открытию расширения Вселенной.

Споры о природе "слабых туманностей" велись с конца XVIII века. Вильям Гершель высказал предположение, что они могут быть далекими звездными системами, аналогичными системе Млечного пути. В 1785 г. он был уверен в том, что разрешить туманности на звезды нельзя только из-за слишком большой их удаленности. Однако в 1795 г., наблюдая планетарную туманность NGC 1514, он отчетливо увидел в центре ее одиночную звезду, окруженную туманным веществом. Существование подлинных туманностей, таким образом, не подлежало сомнению, и не было необходимости думать, что все туманные пятна - далекие звездные системы. И в 1820 г. Гершель говорил, что за пределом нашей собственной системы все покрыто мраком неизвестности.

В XIX веке в неразрешимых на звезды туманностях предпочитали видеть планетные системы в процессе образования - в духе гипотезы Лапласа; NGC 1514 казалась примером далеко зашедшей эволюции - из первичной туманности сконденсировалась уже центральная звезда.

К середине века к 2500 туманностям, открытым его отцом, Джон Гершель прибавил еще 5000, и изучение их распределения по небу дало главный аргумент против предположения, что они являются далекими звездными системами ("островными вселенными"), подобными нашей системе Млечного Пути. Была обнаружена "зона избегания" - почти полное отсутствие этих слабых пятнышек света близ плоскости Млечного Пути. Это было понято как явное указание на их связь с системой Млечного пути. Поглощение света, наиболее сильное в плоскости Галактики, было еще неизвестно.

В 1865 г., Хеггинс впервые пронаблюдал спектр туманностей. Эмиссионные линии туманности Ориона явно говорили о ее газовом составе, но спектр туманности Андромеды (M31) был непрерывный, как и у звезд. Казалось бы, спор решен, но Хеггинс заключил, что такой вид спектра M31 говорит лишь о высокой плотности и непрозрачности составляющего ее газа.

В 1890 г. Агния Клерк в книге о развитии астрономии в XIX веке писала: "Вопрос о том, являются ли туманности внешними галактиками, вряд ли заслуживает теперь обсуждения. Прогресс исследований ответил на него. Можно с уверенностью сказать, что ни один компетентный мыслитель перед лицом существующих фактов не будет утверждать, что хотя бы одна туманность может быть звездной системой, сравнимой по размерам с Млечным Путем".

Хотелось бы знать, какие из нынешних столь же категоричных утверждений окажутся со временем столь же неверными... Заметим, что за сто лет до Клерк было высказано диаметрально противоположное суждение. "Повидимому, звезды... собраны в разнообразные группы, некоторые из коих содержат миллиарды звезд... Наше Солнце и ярчайшие звезды, возможно, входят в одну из таких групп, которая, очевидно, и опоясывает небо, образуя Млечный Путь". Эта осторожная, но совершенно правильная формулировка принадлежит великому Лапласу.

В начале XX века фотографии, полученные Килером с 36-дюймовым рефлектором, показали, что слабых туманностей не менее 120 000. Звездный спектр отражательных (в основном пылевых) туманностей вокруг звезд Плеяд, казалось, подтверждал мысль о невозможности решить вопрос спектральными исследованиями. Это позволило В. Слайферу предположить, что и спектр туманности Андромеды объясняется отражением света центральной звезды (за которую он принял ядро галактики...)

Для решения вопроса о природе "слабых туманностей" было необходимо знать их расстояние. Дискуссия по этому поводу продолжалась до 1925 г.; она заслуживает отдельного рассказа и здесь мы только вкратце опишем, как было установлено расстояние ключевого объекта - "туманности" Андромеды.

2. Открытие Вселенной

Уже к 1910 г. Джорд Ричи на 60" телескопе обсерватории Маунт Вилсон получил великолепные снимки, на которых было видно, что спиральные ветви больших туманностей усыпаны звездобразными объектами, но изображения многих из них были нерезкие, туманные. Это могли быть и компактные туманности, и звездные скопления, и несколько слившихся изображений звезд.

Доказать, что в больших "туманностях" мы видим одиночные звезды, смог Эдвин Хаббл (1889 - 1953), молодой астроном той же обсерватории, в 1924 году. С помощью 100" телескопа он нашел в туманности Андромеды 36 цефеид. Амплитуды изменения блеска этих переменных звезд - сверхгигантов полностью соответствовали известным у цефеид нашей Галактики и это доказывало, что мы имеем дело с одиночными звездами. И главное, зависимость период - светимость, установленная по цефеидам Магеллановых Облаков и Галактики, позволяла определить светимость найденных Хабблом звезд, и сравнение ее с блеском давало расстояние. Оно уводило туманность Андромеды далеко за пределы нашей звездной системы. Слабые туманности оказались далекими галактиками.

Увидеть можно только то, что считаешь возможным увидеть... Когда в начале 20-х гг. Хьюмасон показал Шепли несколько переменных звезд - вероятных цефеид, отмеченных им на пластинке с изображением туманности Андромеды, Шепли стер его отметки - в этой газовой туманности не могло быть звезд!

3. Начало космологии

Итак, Вселенная населена галактиками, а не изолированными звездами. Только теперь появились возможности проверки выводов зарождавшейся космологии - науки о строении и эволюции Вселенной в целом. В 1924 г. К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью В. де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдаленных объектов должна возрастать с их расстоянием. Модель де Ситтера соответствовала пустой Вселенной, но в 1923 г. немецкий математик Г.Вейль отметил, что если в нее поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге Эддингтона, опубликованной в том же году.

Де Ситтер, опубликовавший свою работу "Об эйнштейновской теории гравитации и ее астрономических следствиях" в 1917 гг., сразу же после появления общей теории относительности, знал только три лучевые скорости; у M31 она была отрицательна, а у двух слабых галактик - положительная и большая.

Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил в 1925 г., что "не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца". Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надежными критериями их расстояния.

О расширении непустой Вселенной говорилось и в первой космологической работе бельгийского теоретика Ж.Леметра, опубликованной в 1925 г. Следующая его статья, опубликованная в 1927 г., называлась "Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей". Коэфициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был близок к найденному Хабблом в 1929 г. В 1931 г. по инициативе Эддингтона статья Леметра была перепечатана в "Monthly Notices" и стала с тех пор широко цитироваться; работы А.А.Фридмана были опубликованы еще в 1922-1924 гг., но стали широко известны среди астрономов много позднее. Во всяком случае, Леметр был первым, кто четко заявил, что объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и должны быть предметом космологии - это не звезды, а гигантские звездные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с которыми он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.

Американский теоретик Х.Робертсон в 1928 г., используя данные Хаббла 1926 года, также нашел, что скорости разбегания галактик пропорциональны их расстоянию. Повидимому, эту работу Хаббл знал. С 1928 г. по его заданию М.Хьюмасон (1891-1972) упорно старался измерить красное смещение у возможно более далеких галактик. Вскоре за 45 часов экспозиции у галактики NGC 7619 в скоплении Персея была измерена скорость удаления в 3779 км/c. (Надо ли говорить, что последние две цифры излишни). Сам же Хаббл разработал критерии определения расстояний для далеких галактик, цефеиды в которых оставались недоступны 100" телескопу. Они были основаны на предположении об одинаковости блеска самых ярких отдельных звезд внутри разных галактик. К 1929 г. у него были уверенные расстояния двух десятков галактик, в том числе в скоплении Девы, скорости которых доходили примерно до 1100 км/с.

4. Закон Хаббла

И вот 17 января 1929 г. в Труды Национальной академии наук США поступила статья Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и статья Хаббла, называвшаяся "Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей". Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало четкую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла.

Хаббл понимал значение своего открытия. Сообщая о нем, он писал, что "зависимость скорость - расстояние может представлять эффект де Ситтера и, следовательно, она может дать количественные данные для определения общей кривизны пространства". Многочисленные попытки объяснить зависимость Хаббла не расширением Вселенной, а чем-либо иным, которые можно встретить и теперь, неизменно терпят неудачу. Так, не проходит старое предположение о том, что за долгое время пути фотоны "стареют", теряют энергию и соответствующая длина волны увеличивается - при этом размывались бы и изображения далеких объектов, а величина красного смещения зависела бы и от длины волны, чего не наблюдается. Прямые свидетельства правильности вывода о том, что более далекие объекты имеют большее красное смещение получены недавно при изучении кривых блеска и спектров далеких Сверхновых звезд.

Подчеркнем, что решающее значение имели методы определения расстояний галактик, разработанные Хабблом, для чего понадобились прямые фотографии на 100-дюймовом рефлекторе.

В тридцатых годах Хаббл и его сотрудники занимали более половины наблюдательного времени крупнейшего - и практически единственного тогда пригодного для таких работ - телескопа. И эта концентрация усилий привела к величайшим достижениям наблюдательной астрономии XX века!

К 1935 г. у Хьюмасона были спектрограммы 150 галактик до расстояний, в 35 раз превышающих расстояние скопления галактик в Деве, а к 1940 г. наибольшие обнаруженные им скорости удаления галактик составляли уже 40000 км/с. И до самых больших расстояний сохранялась прямая пропорциональная зависимость между красным смещением линий в спектре,

и расстоянием, которая в общем виде записывается так:

где c - скорость света, z - расстояние и v - лучевая скорость. Коэффициент пропорциональности H был назван позднее постоянной Хаббла.

Этот новый закон природы получил объяснение в основанных на общей теории относительности моделях Вселенной еще до того, как он был незыблемо установлен. Приоритет должен быть отдан А.А.Фридману; модели, полученные ранее Эйнштейном и де Ситтером, оказались предельными случаями моделей Фридмана. Широко известными долгое время оставались лишь результаты Леметра (не знакомого тогда с работами Фридмана), который после опубликования работы Хаббла напомнил Эддингтону о своей работе 1927 года - в этой работе Леметр пришел к выводу о расширении модели

Вселенной с конечной средней плотностью вещества в ней. Однако уже в 1931 г. Эйнштейн, говоря о расширяющейся Вселенной, отметил, что первым на этот путь вступил Фридман.

Однако сам Хаббл вскоре потерял уверенность в том, что красное смещение означает именно расширение Вселенной, - вероятно, под влиянием неумолимого вывода из этого предположения. Как писал тогда Г.Рессел, "признать теорию де Ситтера без оговорок преждевременно. Философски неприемлемо, чтобы все галактики прежде были вместе. На вопрос "почему" ответа мы не находим". Именно из такого рода соображений Эйнштейн ввел в свои уравнения 1916 г. космологическую постоянную, долженствующую стабилизировать Вселенную. Этой глубочайшей проблеме посвящена статья А.Д.Чернина "Физический вакуум и космическая антигравитация" на сайте www.сайт и здесь мы только отметим, что ускоренное расширение Вселенной, обнаруженное в 1998 г. по Сверхновым типа Ia, объясняется отрицательным давлением космического вакуума, существование которого и отражается добавочным космологическом членом уравнений Эйнштейна.

Летом 1929 г. Хаббл обрушился на де Ситтера, посмевшего опубликовать детальную работу, посвященную сравнению теоретических и наблюдательных выводов о расширении Вселенной. Он писал де Ситтеру, что зависимость скорость - расстояние является "маунт-вилсоновским достижением", и что "первое обсуждение новых данных естественно принадлежит тем, кто действительно выполнял работу". Однако в 1931 г., после появления гипотезы Цвикки о возможности старения фотонов, Хаббл написал де Ситтеру, что "интерпретацию следут оставить Вам и еще очень немногим, кто компетентен авторитетно обсуждать предмет"... До конца своей жизни (1953 г.) Хаббл повидимому так и не решил для себя, говорит ли красное смещение о расширении Вселенной, или оно обязано "некоему новому принципу природы". Так или иначе, его имя навсегда осталось в списке величайших ученых всех времен.

Красное смещение, пропорциональное расстоянию, означает не разбегание галактик именно от нас, а увеличение всех расстояний между всеми объектами Вселенной (точнее, между объектами, не связанным тяготением - т.е. скоплениями галактик) со скоростью, пропорциональной величине расстояния, подобно тому, как увеличиваются расстояния между всеми точками, расположенными на поверхности раздувающегося шара. Наблюдатель в любой галактике видит, что все другие галактики разбегаются от него. Скорости расширения Вселенной остается одной из самых важных задач астрономии.

Расскажем прежде всего, как ее решал сам Хаббл в 1935 г.

У него были данные о красном смещении 29 близких галактик, находящихся, однако, за пределами Местной группы: слишком близкие галактики использовать заведомо нельзя, так как для них скорости удаления от нас, обусловленные расширением Вселенной, слишком малы и сравнимы со случайными их скоростями в пространстве.

В этих 29 галактиках Хаббл определил звездные величины самых ярких звезд. Поскольку светимости их во всех галактиках, как нашел Хаббл, примерно одинаковы, их звездные величины должны быть функцией расстояния, и действительно, они показывают зависимость от скорости удаления v .

Эта зависимость по данным Хаббла представляется формулой . С другой стороны, , , и , где M - абсолютная величина. Из этих трех формул и вытекает выражение, с помощью которого определяется постоянная Хаббла: . В общем виде из закона Хаббла и формулы следует , т.е. .

Абсолютная величина ярчайших звезд, найденная Хабблом, была равной -6,35 m , и величина H (Хаббл обозначал ее) получилась 535 (км/с)/Мпс.

Поскольку светимость ярчайших звезд была определена сравнением их с цефеидами, пересмотр нуль-пункта зависимости период - светимость (В.Бааде, 1952) означал необходимость и пересмотра величины постоянной Хаббла. Хьюмасон, Мейолл и Сендидж в 1955 г., использовав новые данные о красном смещении и учтя поправку Бааде к нуль-пункту зависимости период - светимость, получили H =180 (км/с)/Мпс.

В 1958 г. Аллан Сендидж, продолжая дело своего учителя Хаббла, опубликовал результаты новой ревизии постоянной H . Опираясь главным образом на Новые звезды, Сендидж пришел к выводу, что модули расстояний Магеллановых Облаков, M31, M33 и NGC 6822 надо увеличить в среднем на 2,3 m сравнительно со значениями, принятыми Хабблом. На столько же, следовательно, надо сделать ярче абсолютные величины ярчайших звезд; они были уточнены еще и путем привлечения новых данных о ярчайших звездах галактик Местной группы. Но, помимо этих уточнений, Сендидж обнаружил у своего учителя еще и серьезную ошибку - объекты, которые Хаббл принимал за ярчайшие звезды в лежащих за пределами Местной группы галактиках, являются в действительности компактными эмиссионными туманностями, областями HII.

Хаббл, который в двадцатых годах мог работать только с пластинками, чувствительными к синим лучам, не имел возможности отличить изображения компактных областей HII от звезд, особенно в далеких галактиках. Даже в M31, несмотря на тщательные поиски, он не нашел ни одной эмиссионной туманности, хотя сейчас их там известно 981. Вероятно, поэтому возможность такой путаницы не приходила Хабблу в голову. Лишь Бааде, фотографировавший M31 в разных лучах и, в частности, применявший пластинки, чувствительные к красным лучам, и светофильтры, вырезающие красную водородную линию Hα, смог отыскать их. Сендидж, снимая галактику NGC 4321 = М100 в скоплении Девы в разных лучах, обнаружил, что ярчайшие области HII ярче самых ярких звезд на 1,8 m - вот на сколько Хаббл преуменьшал модуль расстояния, определяя его по "ярчайшим звездам". Суммарная ошибка в принятых Хабблом модулях расстояния составляет, следовательно, около 4,0 m ! В итоге, по оценке Сендиджа, постоянная Хаббла должна быть заключена в пределах 50-100 (км/с)/Мпк. Причину оставшейся неопределенности он приписал в основном дисперсии абсолютных величин ярчайших звезд. Результаты Сендиджа означали, что расстояния далеких галактик Хаббл преуменьшал в 6-7 раз!

В 1968 г., Сендидж определил постоянную Хаббла другим способом. Еще Хаббл установил, что ярчайшие члены скоплений галактик - гигантские эллиптические галактики - имеют почти одинаковую абсолютную величину. Можно и для них построить зависимость между видимыми величинами и красным смещением (ниже приведена эта диаграмма для 65 ярчайших галактик в скоплениях, построенная Сендиджем, Кристианом и Вестфалем в 1976 г.) и если определить светимость хотя бы одной из них, из этой зависимости можно определить постоянную Хаббла, аналогично тому, как это делал сам Хаббл с ярчайшими звездами. Особенно важно при этом, что мы можем уйти теперь неизмеримо дальше - ярчайшие галактики скоплений ярче ярчайших звезд на 11 m -12 m ! Светимость наиболее яркой галактики в скоплениях можно определить, зная расстояние хотя бы одного скопления. Ближайшим богатым скоплением является скопление в Деве, и Сендидж использовал для определения его расстояния шаровые скопления в эллиптической галактике M87.

Предполагая далее, вместе с Сендиджем, что светимость ярчайших звездных скоплений в богатых ими галактиках одинакова, зная интегральную абсолютную величину ярчайшего скопления нашей Галактики (-9,7 m B, ω Кентавра) и M31 (-9,8 m B, В282), а также блеск ярчайшего скопления M87 (21,3 m В), получаем модуль расстояния M87 и всего скопления галактик: m-M =21,3 m +9,8 m = 31,1 m . Отсюда следует, что ярчайшая галактика скопления Девы (эллиптическая галактика NGC 4472, в которой также очень много шаровых скоплений) - и, следовательно, ярчайшие галактики во всех скоплениях вообще - имеют абсолютную величину -21,7 m .

Зная абсолютную величину галактик и зависимость их видимых величин от красного смешения, легко найти постоянную Хаббла. Таким способом Сендидж получил в 1968 г. значение H =75 (км/с)/Мпс, долгое время считавшееся наиболее вероятным.

Однако в серии статей, опубликованных в 1974-1975 гг., А. Сендидж и швейцарский астроном Г. Тамман получили для постоянной Хаббла значение 55 (км/с)/Мпк. Определив с помощью цефеид расстояния галактик Местной группы и группы M81, они получили зависимость между линейными размерами областей HII и светимостью содержащей их галактики. С помощью этой зависимости они по угловым диаметрам областей HII нашли расстояния многих неправильных и спиральных галактик поля и определили светимость гигантских спиральных галактик ScI, которые можно выделить по внешнему виду. Для 50 слабых галактик ScI Сендидж и Тамман определили лучевые скорости (все они оказались превышающими 4000 км/с). Зная видимые и абсолютные величины, нетрудно получить постоянную Хаббла.

Сендидж и Тамман настаивали на том, что постоянная Хаббла с ошибкой примерно в 10% составляет 50 (км/с)/кпс, тогда как Ж. де Вокулер с той же ошибкой получал значение H =95. Магическое число 10% неразрывно связано с определениями этой постоянной; напомним, что Хаббл определил ее равной 535 (км/с)/кпс - и ошибку оценил именно в 10% ... Надо сказать, что у большинства астрономов получалось значение H между 75 и 100, и Сендидж и Тамман были почти единственными сторонниками длинной шкалы расстояний. Отголоски этого спора слышны и до сих пор, хотя возможный диапазон значений постоянной Хаббла сузился.

Это произошло в основном благодаря специальной программе наблюдений цефеид на Космическом телескопе имени Хаббла. Они были найдены и исследованы в двух десятках галактик, в основном в скоплении Девы, и по расстояниям этих галактик были прокалиброваны методы (Талли-Фишера, Сверхновые Ia и др.), позволяющие определять расстояния еще более далеких галактик, для которых можно пренебречь их случайными движениями. Одна группа исследователей, которую возглавляла знаток цефеид В.Фридман, получила в 2001 г. значение H =72+/-7, а группа А.Сендиджа получила в 2000 г. величину H =59+/-6. Ошибка опять-таки оценена обеими группами точно в 10%!

6. Расширение Вселенной

Задача определения постоянной Хаббла была столь острой, поскольку от ее значения зависят и масштабы Вселенной, и ее средняя плотность, и возраст. Экстраполируя разбегание галактик назад, мы приходим к выводу, что когда-то они все были собраны в одной точке. Если расширение Вселенной происходило с одной и той же скоростью, то величина, обратная постоянной Хаббла (), позволяет сказать, что этот момент t =0 имел место 13-19 (H =50) или 7-10 (H =100) миллиардов лет назад. Этот "экспансионный возраст Вселенной" при меньшем значении постоянной Хаббла, которое неизменно получается у Сендиджа, уверенно больше возраста старейших звезд, чего нельзя сказать про значение H =100. Впрочем, ныне проблема потеряла свою остроту, поскольку теперь не подлежит сомнению, что расширение Вселенной протекало с неодинаковой скоростью. "Постоянная" Хаббла постоянна лишь по пространству, но не во времени.

Недавние (2003 г.) спутниковые измерения анизотропии реликтового излучения дают для постоянной Хаббла значение 71 (+4\-3) км\с\Мпк, а для возраста Вселенной величину 13.7+\-0.2 миллиарда лет (D.Spergel et al., astro-ph/0302209). Пессимисты все же полагают, что лучше говорить о значениях 45-90 для постоянной Хаббла и возрасте Вселенной в 14+\-1 миллиард лет. Наилучшие наземные данные (основанные на результатах больших обзоров красного смещения галактик, их пекулярных скоростей и сверхновых Ia - C.Odman et al., astro-ph/0405118) дают для постоянной Хаббла значение 57 (+15\-14) км\с\Мпк.

Исследования сверхновых типа Ia в далеких галактиках, первые результаты которых появились в 1998 г., стали началом новой революции в космологии, о которой рассказывается в упомянутой выше статье А.Д.Чернина. Скажем здесь лишь несколько слов.

Использование SNIa в качестве "стандартной свечи" для определения очень больших расстояний стало возможным благодаря работам Ю.П.Псковского, выполненным в ГАИШе еще в 1970-х годах. Считается, что одинаковость их светимости в максимуме объясняется тем, что явление сверхновой Ia происходит в тесной системе, включающей белый карлик, на который происходит аккреция вещества от второго компонента.

Когда масса белого карлика достигает предельного для него значения в 1.4 массы Солнца, происходит взрыв, превращающий его остаток в нейтронную звезду.

Положение сверхновых Ia типа на диаграмме Хаббла указывает на то, что в современную эпоху расширение Вселенной происходит ускоренно. Наиболее естественным образом это объясняется тем, что отрицательное давление космического вакуума подгоняет разлет скоплений галактик. Антитяготение вакуума означает, что расширение Вселенной будет происходить вечно.

Если верны эти выводы теории, в более раннюю эпоху расширение Вселенной, напротив, должно было бы идти замедленно, поскольку оно тормозилось гравитацией темного вещества. Его плотность стала меньше плотности вакуума, согласно теории, 6-8 миллиардов лет назад, и действительно, немногочисленные самые далекие сверхновые Ia указывают на замедленное расширение. На днях этот вывод был подтвержден совершенно независимыми данными спутника "Чандра" о горячем газе, наблюдающемся в рентгеновском диапазоне в скоплениях галактик. Отношение массы этого газа к массе темного вещества должно быть одинаково во всех скоплениях и отсюда можно получить расстояния скоплений галактик. Они показали, что замедленное расширение Вселенной сменилось ускоренным 6 миллиардов лет назад.

Доминирование антигравитации вакуума, по мнению А.Д.Чернина и его коллег, объясняет также и парадокс, отмеченный А.Сендиджем еще в 1972 г. - расширение Вселенной было открыто Хабблом по галактикам, находящимся казалось бы слишком близко, неоднородность их распределения в пространстве и связанные с этим гравитационные движения должны были бы замыть общее расширение. Недавние данные, полученные И.Д.Караченцевым и его сотрудниками на 6-м телескопе САО РАН, подтверждают, что изотропное расширение Вселенной начинается очень близко от нас, сразу же за пределами Местной группы галактик.

Итак, астрономические данные впервые позволили определить плотность энергии вакуума; они чреваты новой революцией в физике, ибо значение этой плотности необъяснимо современной теорией.

7. К краю Вселенной

Расскажем в заключение о результатах поисков объектов с максимально большим красным смещением. Для этого требовались крупнейшие телескопы и многочасовые экспозиции. Долгие годы и энтузиастов и больших телескопов было меньше, чем пальцев на одной руке. С вводом в действие 200-дюймового телескопа (на рисунке - Хаббл в кабине главного фокуса этого телескопа, снимок конца 40-х годов) Хьюмасон смог в 1949 г. измерить z =0,20 у галактики из скопления в Гидре с V =17,3 m . Линии ночного неба долго не позволяли получить красное смещение для более слабых и далеких галактик, используя линии поглощения в их спектре. По единственной эмиссионной линии Р. Минковский в 1960 г. нашел z =0,46 для радиогалактики 3C295 (V =19,9 m), долго остававшееся рекордным для галактик. В 1971 г. это значение подтвердил Дж. Оук по линиям поглощения, получив запись спектра 3C295 с помощью 32-канального спектрометра и определив его сдвиг относительно стандартного спектра с нулевым красным смещением. На эту работу ушло 8 часов времени 200-дюймового телескопа. В 1929 г. Хьюмасону понадобилось 40 часов на 100-дюймовом телескопе для определения красного смещения галактики, на восемь звездных величин более яркой.

В 1975 г. X. Спинрад с помощью 3-метрового рефлектора нашел z =0,637 у радиогалактики 3C123 -- с V =21,7 m . Несколько линий в спектре 3C123 Спинрад смог измерить с помощью электронно-оптического сканирующего спектрометра, накопив фотоны за 7 часов наблюдений в течение 4 ночей.

Это гигантская эллиптическая галактика, вчетверо более мощная в радиодиапазоне, чем Кентавр А. Затем Сендидж и его сотрудники нашли z =0,53 у радиогалактики 3C330. Наконец, в 1981 г. Спинрад, получая спектры радиогалактик, нашел z =1,050 для 3C13 и z =1,175 для 3C427; экспозиции снова доходили до 40 часов, но наблюдались объекты, в десятки тысяч раз более слабые, чем в 1929 г.

Измерения предельно больших красных смещений оставались уделом одиночек, пока мысль о том, что, изучая Вселенную на предельно больших масштабах, мы постигаем физику, управляющую и микромиром, не овладела массами...

Астрономия стала превращаться, на полвека позднее физики, в Большую науку, в которой многочисленные коллективы работают на гигантских установках. Огромную роль сыграло и развитие электроники, приведшее к созданию эффективных светоприемников.

Для Англо-Австралийского 4-м телескопа было разработано устройство, которое с помощью световодов позволяет одновременно получать спектры в области размером в четыре квадратных градуса. Из 250 000 красных смещений галактик, которые запланировано получить, к весне 2001 г. было измерено уже 150 000. В это сотрудничестве участвуют 20 - 30 человек. Более масштабны задачи Слоановского численного обзора неба, для которого на средства миллионера Слоана был построен широкоугольный 3,5-м телескоп. Задачей обзора является измерить, исходя из многоцветной фотометрии, красные смещения примерно миллиона галактик на четверти площади небосвода. Здесь задействовано уже 150 астрономов из 11 институтов.

Среди первых уловов Слоановского обзора было обнаружение в 2001 г. квазара с красным смещением z =6,28. Однако уже в следующем году этот рекорд был перекрыт и чемпионом оказался не квазар, а галактика. Как мы знаем, квазары являются галактиками с необычно ярким ядром, и их легче обнаружить на больших расстояниях. Зафиксировать красное смещение столь далекой обычной галактики удалось, потому что световой поток от нее был усилен в 4,5 раза благодаря эффекту гравитационного линзирования. Эта галактика, обозначаемая HCM 6A, находится в одной минуте дуги от центра массивного скопления галактик Abell 370, которое, находясь гораздо ближе к нам, и послужило гравитационной линзой. Благодаря действию этого естественного телескопа и удалось с помощью 10-м телескопа Keck-II на Мауна Кеа зафиксировать спектр галактики в инфракрасном диапазоне. На длине волны 9190 ангстрем была найдена эмиссионная линия, которая почти наверняка является линией Лайман-альфа, сдвинутой красным смещением z =6,56 из ультрафиолетовой области спектра.

Это отождествление было подтверждено наблюдениями на соседнем японском 8-м телескопе Subaru, которые показали, что в более далеких инфракрасных полосах поток в тысячи раз слабее, чем в этой эмисионной линии, что согласуется с ее отождествлением как линии Лайман-альфа.

Следующий рекорд был поставлен недавно с помощью одного из 8-м телескопов (VLT) Южной Европейской обсерватории на горе Паранал в Чили. Снова использовался эффект гравитационной линзы - искались слабые галактики, видимые только в инфракрасной области, близ центра богатого компактного скопления галактик Abell 1835. У одного из таких объектов, #1916, в спектре была найдена единственная сильная линия, отождествление которой с Лайман-альфа привело к красному смещению z =10.0. Другие возможные отождествления отвергаются, потому что в этом случае в спектре должны были бы наблюдаться несколько сильных линий (R.Pello et al., astro-ph/0403025

Все публикации на ту же тему >>

Устроился на работу в высокогорную астрономическую обсерваторию Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, которая в те годы была лучшей в мире по оснащенности. Используя ее новейший телескоп-рефлектор с диаметром главного зеркала 2,5 м, он провел серию любопытных измерений, навсегда перевернувших наши представления о Вселенной.

Вообще-то, Хаббл намеревался исследовать одну застаревшую астрономическую проблему - природу туманностей. Эти загадочные объекты, начиная с XVIII века, волновали ученых таинственностью своего происхождения. К XX веку некоторые из этих туманностей разродились звездами и рассосались, однако большинство облаков так и остались туманными - и по своей природе, в частности. Тут ученые и задались вопросом: а где, собственно, эти туманные образования находятся - в нашей Галактике? или часть из них представляют собой иные «островки Вселенной», если выражаться изощренным языком той эпохи? До ввода в действие телескопа на горе Уилсон в 1917 году этот вопрос стоял чисто теоретически, поскольку для измерения расстояний до этих туманностей технических средств не имелось.

Начал свои исследования Хаббл с самой, пожалуй, популярной с незапамятных времен туманности Андромеды. К 1923 году ему удалось рассмотреть, что окраины этой туманности представляют собой скопления отдельных звезд, некоторые из которых принадлежат к классу переменных цефеид (согласно астрономической классификации). Наблюдая за переменной цефеидой на протяжении достаточно длительного времени, астрономы измеряют период изменения ее светимости, а затем по зависимости период-светимость определяют и количество испускаемого ею света.

Чтобы лучше понять, в чем заключается следующий шаг, приведем такую аналогию. Представьте, что вы стоите в беспросветно темной ночи, и тут вдалеке кто-то включает электрическую лампу. Поскольку ничего, кроме этой далекой лампочки, вы вокруг себя не видите, определить расстояние до нее вам практически невозможно. Может, она очень яркая и светится далеко, а может, тусклая и светится неподалеку. Как это определить? А теперь представьте, что вам каким-то образом удалось узнать мощность лампы - скажем, 60, 100 или 150 ватт. Задача сразу упрощается, поскольку по видимой светимости вы уже сможете примерно оценить геометрическое расстояние до нее. Так вот: измеряя период изменения светимости цефеиды, астроном находится примерно в той же ситуации, как и вы, рассчитывая расстояние до удаленной лампы, зная ее светосилу (мощность излучения).

Первое, что сделал Хаббл, - рассчитал расстояние до цефеид на окраинах туманности Андромеды, а значит, и до самой туманности: 900 000 световых лет (более точно рассчитанное на сегодняшний день расстояние до галактики Андромеды, как ее теперь называют, составляет 2,3 миллиона световых лет. - Прим. автора) - то есть туманность находится далеко за пределами Млечного Пути - нашей галактики. Пронаблюдав эту и другие туманности, Хаббл пришел к базовому выводу о структуре Вселенной: она состоит из набора огромных звездных скоплений - галактик. Именно они и представляются нам в небе далекими туманными «облаками», поскольку отдельных звезд на столь огромном удалении мы рассмотреть попросту не можем. Одного этого открытия, вообще-то, хватило бы Хабблу для всемирного признания его заслуг перед наукой.

Ученый, однако, этим не ограничился и подметил еще один важный аспект в полученных данных, который астрономы наблюдали и прежде, но интерпретировать затруднялись. А именно: наблюдаемая длина спектральных световых волн, излучаемых атомами удаленных галактик, несколько ниже длины спектральных волн, излучаемых теми же атомами в условиях земных лабораторий. То есть в спектре излучения соседних галактик квант света, излучаемый атомом при скачке электрона с орбиты на орбиту, смещен по частоте в направлении красной части спектра по сравнению с аналогичным квантом, испущенным таким же атомом на Земле. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта Доплера, а это означает, что все наблюдаемые соседние галактики удаляются от Земли, поскольку практически у всех галактических объектов за пределами Млечного Пути наблюдается именно красное спектральное смещение, пропорциональное скорости их удаления.

Самое главное, Хабблу удалось сопоставить результаты своих измерений расстояний до соседних галактик (по наблюдениям переменных цефеид) с измерениями скоростей их удаления (по красному смещению). И Хаббл выяснил, что чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Это самое явление центростремительного «разбегания» видимой Вселенной с нарастающей скоростью по мере удаления от локальной точки наблюдения и получило название закона Хаббла. Математически он формулируется очень просто:

v = Hr

Где v - скорость удаления галактики от нас, r - расстояние до нее, а H - так называемая постоянная Хаббла. Последняя определяется экспериментально, и на сегодняшний день оценивается как равная примерно 70 км/(с·Мпк) (километров в секунду на мегапарсек; 1 Мпк приблизительно равен 3,3 миллионам световых лет). А это означает, что галактика, удаленная от нас на расстояние 10 мегапарсек, убегает от нас со скоростью 700 км/с, галактика, удаленная на 100 Мпк, - со скоростью 7000 км/с, и т. д. И, хотя изначально Хаббл пришел к этому закону по результатом наблюдения всего нескольких ближайших к нам галактик, ни одна из множества открытых с тех пор новых, всё более удаленных от Млечного Пути галактик видимой Вселенной из-под действия этого закона не выпадает.

Итак, главное и - казалось бы - невероятное следствие закона Хаббла: Вселенная расширяется! Мне этот образ нагляднее всего представляется так: галактики - изюмины в быстро всходящем дрожжевом тесте. Представьте себя микроскопическим существом на одной из изюмин, тесто для которого представляется прозрачным: и что вы увидите? Поскольку тесто поднимается, все прочие изюмины от вас удаляются, причем чем дальше изюмина, тем быстрее она удаляется от вас (поскольку между вами и далекими изюминами больше расширяющегося теста, чем между вами и ближайшими изюминами). В то же время, вам будет представляться, что это именно вы находитесь в самом центре расширяющегося вселенского теста, и в этом нет ничего странного - если бы вы оказались на другой изюмине, вам всё представлялось бы в точности так же. Так и галактики разбегаются по одной простой причине: расширяется сама ткань мирового пространства. Все наблюдатели (и мы с вами не исключение) считают себя находящимися в центре Вселенной. Лучше всего это сформулировал мыслитель XV века Николай Кузанский: «Любая точка есть центр безграничной Вселенной».

Однако закон Хаббла подсказывает нам и еще кое-что о природе Вселенной - и это «кое-что» является вещью просто-таки экстраординарной. У Вселенной было начало во времени. И это весьма несложное умозаключение: достаточно взять и мысленно «прокрутить назад» условную кинокартину наблюдаемого нами расширения Вселенной - и мы дойдем до точки, когда всё вещество мироздания было сжато в плотный комок протоматерии, заключенный в совсем небольшом в сопоставлении с нынешними масштабами Вселенной объеме. Представление о Вселенной, родившейся из сверхплотного сгустка сверхгорячего вещества и с тех пор расширяющейся и остывающей, получило название теории Большого взрыва, и более удачной космологической модели происхождения и эволюции Вселенной на сегодня не имеется. Закон Хаббла, кстати, помогает также оценить возраст Вселенной (конечно, весьма упрощенно и приблизительно). Предположим, что все галактики с самого начала удалялись от нас с той же скоростью v , которую мы наблюдаем сегодня. Пусть t - время, прошедшее с начала их разлета. Это и будет возраст Вселенной, и определяется он соотношениями:

v x t = r , или t = r/V

Но ведь из закона Хаббла следует, что

r/v = 1/H

Где Н - постоянная Хаббла. Значит, измерив скорости удаления внешних галактик и экспериментально определив Н , мы тем самым получаем и оценку времени, в течение которого галактики разбегаются. Это и есть предполагаемое время существования Вселенной. Постарайтесь запомнить: по самым последним оценкам, возраст нашей Вселенной составляет около 15 миллиардов лет, плюс-минус несколько миллиардов лет. (Для сравнения: возраст Земли оценивается в 4,5 миллиардов лет, а жизнь на ней зародилась около 4 миллиардов лет назад.)

Комментарии: 0

Дмитрий Вибе

Вид ночного неба, усыпанного звездами, с давних пор вселяет в душу человека благоговение и восторг. Потому даже при некотором снижении общего интереса к науке астрономические новости иногда просачиваются в средства массовой информации, чтобы встряхнуть воображение читателя (или слушателя) сообщением о таинственном квазаре на самой окраине Вселенной, о взорвавшейся звезде или о черной дыре, затаившейся в недрах далекой галактики. Вполне естественно, что рано или поздно у заинтересованного человека возникает законный вопрос: «Да полно, уж не водят ли они меня за нос?» Действительно, по астрономии написано множество книг, снимаются научно-популярные фильмы, проводятся конференции, постоянно растут тиражи и объемы профессиональных астрономических журналов, и всё это - продукт простого разглядывания неба?

Фил Плейт

Вселенная немного старше, чем мы думали. Более того, состав ее компонентов слегка не такой, как мы предполагали. И более того, как они перемешаны - тоже немного отличается от нашего представления. И еще более того, есть намеки, слухи и перешептывания, что там есть еще кое-что, о чем мы до этого совсем ничего не знали.

National Geographic

Трое физиков-теоретиков из Онтарио опубликовали в Scientific American статью, где объясняют, что наш мир вполне может быть поверхностью четырехмерной черной дыры. Мы сочли необходимым опубликовать соответствующие разъяснения.