Темная энергия и закон хаббла. Закон всеобщего разбегания галактик Закон хаббла устанавливает

Вернувшись с первой мировой войны, Эдвин Хаббл 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.) - 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 называемаяпостоянная 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.)

Кажущаяся скорость удаления галактики от нас прямо пропорциональна расстоянию до нее.

Вернувшись с первой мировой войны, Эдвин Хаббл 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:

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.)

См. также:

Edwin Powell Hubble, 1889-1953

Американский астроном. Родился в г. Маршфилд (штат Миссури, США), вырос в Уитоне (штат Иллинойс) — тогда это был не университетский, а промышленный пригород Чикаго. Окончил с отличием Чикагский университет (где отличился еще и спортивными достижениями). Еще учась в колледже, подрабатывал ассистентом в лаборатории нобелевского лауреата Роберта Милликена (см. Опыт Милликена), а в летние каникулы — геодезистом на железнодорожном строительстве. Впоследствии Хаббл любил вспоминать, как вместе еще с одним рабочим они отстали от последнего поезда, увозившего их геодезическую бригаду назад, к благам цивилизации. Три дня они проблуждали в лесах, прежде чем добрались до населенной местности. Никакой провизии у них с собой не было, но, по словам самого Хаббла, «Можно было, конечно, убить ежика или птичку, но зачем? Главное, что воды вокруг хватало».

Получив в 1910 году диплом бакалавра, Хаббл отправился в Оксфорд благодаря полученной стипендии Роудса. Там он начал было изучать римское и британское право, но, по его собственм словам, «променял юриспруденцию на астрономию» и вернулся в Чикаго, где и занялся подготовкой к защите своей дипломной работы. Большинство наблюдений ученый проводил на базе обсерватории Йеркс, расположенной к северу от Чикаго. Там его заметил Джордж Эллери Хейл (George Ellery Hale, 1868-1938) и в 1917 году пригласил молодого человека в новую обсерваторию Маунт-Вилсон.

Тут, однако, вмешались исторические события. США вступили в первую мировую войну, и Хаббл за одну ночь довел до ума свою диссертацию на степень Ph. D., на следующее утро защитил ее — и тут же ушел добровольцем в армию. Его научный руководитель Хейл получил от Хаббла телеграмму следующего содержания: «Сожалею о вынужденном отказе от приглашения отметить защиту. Ушел на войну». Во Францию добровольческая часть прибыла в самом конце войны и даже не приняла участия в боевых действиях, однако осколочное ранение от шального снаряда Хаббл получить успел. Демобилизовавшись летом 1919 года, ученый немедленно вернулся в калифорнийскую обсерваторию Маунт-Вилсон, где вскоре и обнаружил, что Вселенная состоит из разлетающихся галактик, что и получило название закона Хаббла.

В 1930-е годы Хаббл продолжил активное изучение мира за пределами Млечного пути, за что вскоре и снискал признание не только в научных кругах, но и среди широких масс. Слава ему пришлась по вкусу, и на фотографиях тех лет ученого можно часто увидеть позирующим в компании знаменитых кинозвезд той эпохи.

Научно-популярная книга Хаббла «Царство туманностей» (The Realm of Nebulae), увидевшая свет в 1936 году, еще прибавила ученому популярности. Справедливости ради нельзя не отметить, что в годы второй мировой войны ученый оставил свои астрофизические изыскания и честно занимался прикладной баллистикой в должности главного исполнительного директора испытательного полигона со сверхзвуковой аэродинамической трубой в Абердине (штат Мэриленд), после чего вернулся к астрофизике и до конца своих дней занимал пост председателя объединенного ученого совета обсерватории Маунт-Вилсон и Паломарской обсерватории. В частности, ему принадлежит движущая идея и техническая разработка базовой конструкции знаменитого двухсотдюймового (пятиметрового) хейловского телескопа, введенного в строй в 1949 году на базе Паломарской обсерватории. Этот телескоп по сей день остается вершиной воплощенной в материале астрометрии. И, наверное, справедливо, что именно Хаббл успел — первым из современных астрофизиков — заглянуть в глубины Вселенной через окуляр этого чудесного инструмента.

Если же отвлечься от астрономии, то Эдвин Хаббл вообще был человеком уникально широких интересов. Так, в 1938 году его избрали в состав совета попечителей Южно-Калифорнийской библиотеки Хантингтона и Художественной галереи при ней (Лос-Анджелес, США). Ученый подарил этой библиотеке свою уникальную коллекцию старинных книг по истории науки. Любимым же видом отдыха Хаббла была рыбная ловля на спиннинг — он и в этом добился вершин, и его рекордные уловы в горных потоках Скалистых гор (США) и на реке Тест (Англия) до сих пор считаются непревзойденными... Эдвин Хаббл скоропостижно скончался 28 сентября 1953 года в результате кровоизлияния в мозг.

1. Закон Хаббла. Закон Ньютона-Хаббла.

Список литературы

Закон Хаббла. Закон Ньютона-Хаббла

Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) - эмпирический закон, связывающий красное смещение галактик и расстояние до них линейным образом:

где z -- красное смещение галактики, D -- расстояние до неё, H0 -- коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. При малом значении z выполняется приближённое равенство cz=Vr, где Vr -- скорость галактики вдоль луча зрения наблюдателя, c --скорость света. В этом случае закон принимает классический вид:

Этот возраст является характерным временем расширения Вселенной на данный момент и с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.

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/сек). Это означало, что все они находится 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 3, 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 Леметромв 1927, а позже -- знаменитым Э. Хабблом в 1929 с помощью 100-дюймового телескопа, который разрешает 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 73,8 ± 2,4 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.

С точки зрения классической механики, закон Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная образовалась в результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили большие скорости, соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва: с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.

Первое замечание касается того, учитывается ли при наблюдениях тот факт, что из-за того, что свет идёт от галактик миллионы лет, мы наблюдаем их в прошлом. В результате, поскольку они удаляются от нас, в настоящий момент они должны находиться уже дальше. Вопрос: для какого из двух расстояний определена зависимость Хаббла? Ответ: до середины XX века это не имело значения. Из графика Хаббла видно, что наибольшие скорости галактик, рассмотренных Хабблом, составили до 1000 км/с. В принципе это большая скорость, но за время движения света от них до Земли они всё равно успели сдвинуться лишь на незначительный процент общего расстояния.

Второе замечание заключается в том, что расширение Вселенной не является простым разлётом галактик в пустом пространстве. Оно заключается в динамическом изменении самого пространства. Непонимание этого факта часто заставляет делать неверные заключения авторов даже серьёзной литературы. Например, часто говорят, что скорость убегания галактик не должна превышать скорость света и потому на тех расстояниях, где это должно наблюдаться, должны наблюдаться и отклонения от закона Хаббла. Это не так: согласно общей теории относительности, должны существовать и наблюдаться галактики, убегающие быстрее света.

За несколько лет до экспериментального открытия закона Хаббла Александр Фридман вывел теоретически решения уравнения Эйнштейна для всей Вселенной, и в результате было получено, что если распределение вещества в ней в среднем равномерно, то она должна или сжиматься, или расширяться, причём в последнем случае должен наблюдаться линейный закон между расстоянием и скоростью убегания. Эта особенность решений Фридмана была сразу же отождествлена с явлением, открытым Хабблом.

В соответствии с этой (общепринятой) моделью космологическое красное смещение нельзя интерпретировать как Эффект Доплера, так как получаемая из наблюдаемого z по формулам этого эффекта скорость не соответствует (лишь приближённо равна) никакой скорости в смысле изменения космологического расстояния между галактиками. Галактики неподвижны (за исключением пекулярных собственных скоростей), а расширяется пространство, что и вызывает расширение волнового пакета. (См. в статье Космологическое красное смещение). Соотношение является приближённым, в то время как равенство

где -- расстояние в данный момент, есть точное равенство, то есть красное смещение линейно связано с расстоянием только приближённо для близких галактик, а скорость их удаления линейно возрастает с расстоянием точно. Таким образом, в последней формуле скорость V не соответствует скорости, рассчитываемой по эффекту Допплера.

В процессе расширения, если оно происходит равномерно, постоянная Хаббла должна уменьшаться, и индекс «0» при её обозначении указывает на то, что величина Н0 относится к современной эпохе. Величина, обратная постоянной Хаббла, должна быть в таком случае равна времени, прошедшему с момента начала расширения, то есть возрасту Вселенной.

Значение Н0 определяется по наблюдениям галактик, расстояния до которых измерены без помощи красного смещения (прежде всего, по ярчайшим звёздам или цефеидам). Большинство независимых оценок Н0 дают для этого параметра значение70--80 км/с на мегапарсек. Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью 7000--8000 км/с. В настоящее время наиболее надёжной (хотя и модельно зависимой) считается оценкаН0= (73,8 ± 2,4) км/(с·Мпк).

Проблема оценки Н0 осложняется тем, что, помимо космологических скоростей, обусловленных расширением Вселенной, галактики ещё обладают собственными (пекулярными) скоростями, которые могут составлять несколько сотен км/с (для членов массивных скоплений галактик -- более 1000 км/с). Это приводит к тому, что закон Хаббла плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии ближе 10--15 млн. св. лет, то есть как раз для тех галактик, расстояния до которых наиболее надёжно определяются без красного смещения.

Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на очень больших расстояниях (в миллиарды св. лет), которым соответствует величина z > 1. Расстояния до объектов с таким большим красным смещением теряют однозначность, поскольку зависят от принимаемой модели Вселенной и от того, к какому моменту времени они отнесены. В качестве меры расстояния в этом случае обычно используется только красное смещение.

В наше время наблюдениями, говорящими в пользу существования тёмной энергии, были, по-видимому, обнаружены отклонения от линейного закона Хаббла (как связи наблюдаемого красного смещения с расстоянием). Было обнаружено, что, по-видимому, наша Вселенная расширяется с ускорением. Этот факт не отменяет закона Хаббла, если его понимать как зависимость от расстояния в данный конкретный момент времени, то есть если учесть, что далёкие объекты мы наблюдаем в прошлом.

хаббл смещение галактика геоид

2. Что такое «геоид», его характеристика, форма. Почему Земля имеет именно такую форму?

Физическая фигура Земли ограничена поверхностью материков, морей и океанов. Объектом изучения является фигура твердой оболочки Земли - поверхность суши, дна морей и океанов. Физическая фигура Земли имеет сложную форму, поэтому для ее изучения, а также для решения теоретических и прикладных задач геодезии вводят более простые фигуры сравнения, среди которых важное место занимает геоид.

Поверхность, всюду перпендикулярная отвесным линиям, называется уровенной. Земля создает вокруг себя бесчисленное множество уровенных поверхностей.

Через одну точку пространства проходит только одна уровенная поверхность. С точки зрения механики уровенная поверхность есть поверхность равного потенциала силы тяжести и представляет собой фигуру равновесия жидкого или вязкого вращающегося тела, образующегося под действием сил притяжения и центробежных сил.

Среди множества уровенных поверхностей выделяют одну - главную, которую по предложению Листинга (1871г.) назвали геоидом, что означает «землеподобный». Поверхность геоида совпадает с поверхностью морей и океанов в их спокойном состоянии и мысленно продолжается под материки. Она проходит через начало счета высот и иногда называется отсчетной поверхностью.

Поверхность геоида все еще остается достаточно сложной для изучения. Она описывается бесконечными рядами, так называемыми разложениями по сферическим функциям. Если в рядах оставить конечное число членов, то получим ту или иную частную модель геоида. Наиболее простой моделью геоида является шар, далее - эллипсоид вращения, последующие модели не поддаются простой геометрической интерпретации. Поэтому изучают отступления геоида от некоторой фигуры сравнения, как правило, это будет двухосный эллипсоид.

Истинная форма поверхности Земли с ее неровностями и непрерывным изменением во времени бесконечно сложна. Определить ее для каждого момента времени практически невозможно, да и не нужно. Геодезисты ввели понятие «геоид» -- воображаемая поверхность, достаточно точно отображающая реальную поверхность нашей планеты и в то же время доступная для практического изучения.

Буквально «геоид» -- это «земноподобный». Это поверхность, которая приближенно совпадает со спокойной поверхностью Мирового океана и перпендикулярами к которой в каждой ее точке служат отвесные линии. Продолжив эту поверхность под материками так, чтобы во всех точках она оставалась уровенной, т. е. перпендикулярной к отвесной линии, получим полную поверхность геоида.

Изучение формы геоида составляет главную задачу высшей геодезии. Эта задача состоит из двух частей: определения параметроэллипсоида, наиболее близкого к геоиду, и положения отдельных точек геоида по отношению к эллипсоиду. Естественно, что в решении этих задач принимают участие и гравиметристы. Правда, гравиметрические методы позволяют определять только форму, но не размеры геоида. Вот почему сочетание геодезических и гравиметрических методов при изучении фигуры Земли совершенно необходимо.

Теоретически форму геоида можно представить следующим образом. В каждой точке Земли существует так называемый потенциал силы тяжести -- величина, характеризующая интенсивность, «напряженность» этой силы. Потенциал силы тяжести математически можно представить как сумму бесчисленного множества слагаемых, каждое из которых называется гармоникой. Чем больше слагаемых мы возьмем, тем точнее выразим потенциал силы тяжести, который и определяет форму геоида.

Как известно, геологически, Земля - активная планета. Слои, образующие Землю, имеют разную плотность и постоянно подвергаются геологическим процессам, тектонические движения пластов, смещение континентов, смещение центра инерции (хоть и минимальное), такие явления как приливы и отливы, атмосферные явления, которые происходят в гидросфере и атмосфере - все эти явления и плюс к этому вмешательство человека вызывают изменения на некоторых участках земной поверхности. Это порождает постоянные изменения в форме Земли геоиде.

Если учесть, что расстояние от центра Земли до ее поверхности есть величина постоянная (на самых высоких вершинах в год наблюдается не более 1-2 см снижения или повышения), а количество ресурсов внутри Земли почти не меняется и, проигнорировав другие воздействия, можно с легкостью утверждать, что главной причиной незначительных различий в гравитации на поверхности Земли является изменения в массе на поверхности. Таяние льдов уменьшает вес в некоторых местах, а плотины - увеличивают в других местах, все эти явления играют важное значение в различиях в гравитации на поверхности Земли. Опираясь на эти сведения, при помощи гравитационных измерений ученые могут определять, где и как меняется масса. Потому что когда масса меняет место, в той области наблюдаются изменения в гравитации.

С помощью гравитационных измерений можно определить даже малейшие изменения в массах. Изменения места одного тела на поверхности Земли значит изменение гравитации в этой области. В итоге, гравитационные измерения являются самым важным источником данных, которые используются для того, чтобы понять изменения в геоиде, более того, понять, какие явления служат причиной этих изменений. В определении мест масс, сместившихся на поверхности Земли с одного места на другое или, другими словами, в каком участке Земли вес увеличился или уменьшился, применяется метод измерения гравитаций с помощью спутников. Новейшие спутниковые технологии, применяемые для определения и наблюдения за изменениями в гравитации - это спутник Европейского Космического Агентства GOCE и спутник NASA GRACE. GOCE запланирован на то, чтобы во время полета вокруг своей орбиты точно отслеживать гравитационное поле Земли. Пролетая над местами, где сила притяжения сильная или слабая, с помощью сигналов, посылаемых прибором градиометр, спутник определяет различия в гравитации. А спутники GRACE - это спутники-близнецы, размещенные на одной орбите на расстоянии 220 м друг от друга и на высоте 500 км от Земли. С помощью микроволновых сигналов спутники измеряют расстояние между собой с такой точностью, что могут определить изменение меньше чем на сотую долю от ширины человеческого волоса. В то же время одинаково точно измеряют расстояние между ними и точкой на поверхности Земли. Пользуясь этими измерениями можно подсчитать разницу в гравитациях. Спутниковые данные GRACE предоставляют точность в 1000 раз больше, чем ныне существующие системы определения гравитации. Ученые, желающие воспользоваться преимуществами этих новых спутников, провели очень много работ и смогли определить множество интересных явлений, повлекших за собой изменения в геоиде, и выявили причины этих явлений.

Огромные волны на поверхности моря, которые возникли в результате землетрясения силой в 9 баллов по Рихтеру, произошедшего на острове Суматра в 2004 году, стали причиной возникновения на берегу прямого выступа высотой около 6 метров. По данным спутника GOCE, смещение центра инерции на поверхности Земли в этом районе вызвало смещение геоида на 18 мм. Это считается довольно высокой величиной для изменения геоида.

Изменения в массе полярных ледников также влияют на изменения в геоиде. Согласно данным, полученным от спутников GRACE, льды Гренландии и Антарктики тают гораздо быстрее, чем ожидалось. Растаявшие льды увеличивают уровень мирового океана на 0.41 мм каждый год, а тяжесть воды, образующейся в итоге таяния льдов, становится причиной изменения формы Земли.

Одно из интересных сведений, полученных на основе гравитационных данных спутника GRACE - это самая большая в мире плотина Три Ущелья в Китае, которая стала причиной изменения гравитации на поверхности Земли. Плотина возводится с целью сооружения водохранилища длиной 600 км и шириной 112 км. По завершении работ по строительству корпуса плотины, водохранилище будет содержать 39.3 миллиарда м 3 воды, а глубина воды достигнет 175 метров. С повышением уровня воды 1,5 миллиарда человек будут вынуждены оставить свои дома. Было установлено, что огромная нагрузка скопленной в завершенных частях плотины вод увеличила величину гравитации в этом месте. Поэтому форма Земли или структура геоида изменилась вследствие водной нагрузки на это место.

Ученые установили, что строительство подобных сооружений и под воздействием других вмешательств форма Земли принимает все более круглую форму. Предполагается, что причиной этому стало наблюдаемое с окончанием ледникового периода ослабление нагрузки ледников на земную кору, особенно на полюсах. В некоторых областях Скандинавии и Канады вследствие таяния ледников каждый год Земля повышается на 1см. Также предполагается, что причиной округления могут быть и океанические течения, которые меняют свое направление и все больше направляются на экватор. Океанические течения перемещают воды растаявших ледников на экватор, что становится причиной увеличения нагрузки в районе экватора. Масса в полюсах уменьшается, а на экваторе увеличивается, что и способствует изменениям в форме Земли.

Многие ученые думают, что многие изменения в форме Земли происходят под воздействием климатических изменений. К сожалению, надо отметить, что в докладе о шестилетней работе Межправительственной группы экспертов по изменению климата было объявлено, что на 90% люди ответственны за глобальное потепление. Вследствие этих явлений геоидная структура стареющей Земли округляется с каждым днем. Вследствие округления радиус Земли увеличивается ежегодно на 0,4-0,8 мм 11 . Явления, которые могут повлиять на изменения, находятся под постоянным наблюдением ученых. Согласно ученым, изменения в геоиде, происходящиe в результате смещения массы, играют важную роль в динамике Земли. Так что смещение масс, определяющееся изменениями в гравитации, является причиной замедления скорости вращения Земли вокруг своей оси. Полагается, что последствием изменения скорости вращения Земли может стать изменение дневного часового пояса. Исходя из всего этого можно сказать, что в будущем 24 часовой дневной пояс может удлиниться параллельно замедлению вращения.

Список литературы

1. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания. - М., 2004.

2. Дубиищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - М., 2003.

3. Концепции современного естествознания. / Под ред. В.Н. Лавриенко, В.П. Ратникова. М.: ЮНИТИ, 1997.

4. Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр. - М.: Мир,1990.

5. Шаткин Г.А. Наша планета - Земля // Наука и жизнь. -1999. -№5.

6. Материалы Википедии. Свободной энциклопедии:

Подобные документы

Эволюция представлений о строении Вселенной и ее происхождении. Расширение Вселенной как самое величайшее из известных человечеству явлений природы. Термин "красное смещение" и его использование для обозначения космологического и гравитационного явлений.

реферат , добавлен 26.01.2010


Короткий опис будови Всесвіту, його космологічні моделі. Модель Великого Вибуху. Сутність фотометричного парадоксу Ольберса. Природа реліктового випромінювання. Інфляційна модель Всесвіту. Закон Хаббла (закон загального розбігання галактик), його зміст.

курсовая работа , добавлен 24.05.2016


Концепції космології: припущення А. Ейнштейна, висновки А. Фрідмана, емпіричний закон Хаббла, гіпотези Г. Гамова, реліктове випромінювання А. Пензіса і Р. Вільсона. Модель Всесвіту: великий вибух, поділ початковій стадії еволюції на ери; його структура.

реферат , добавлен 23.08.2010


Современные представления о развивающейся Вселенной, проходящие в ней процессы и их особенности. "Ячеистый" характер крупномасштабных неоднородностей в распределении галактик. Сравнение расстояний до галактик со скоростями их удаления. Постоянная Хаббла.

контрольная работа , добавлен 11.09.2011


Млечный путь, общие сведения по нашей галактике. Открытие семейства карликовых галактик, жизненный путь этих звёздных систем. Положение Солнечной системы (ее наклон) в Галактике. Звёздные системы, классификация Хаббла. Большое Магелланово Облако.

реферат , добавлен 03.04.2011


Галактика - большая система из звезд, межзвездного газа, пыли, темной материи и энергии. Классификация галактик Э. Хаббла. Эллиптические, линзообразные, спиральные, пересеченные спиральные галактики. Неправильные галактики - галактики неправильного вида.

презентация , добавлен 13.12.2010


Фотографии Марса в небе Земли. Снимок, полученный орбитальным телескопом имени Хаббла, и старинные зарисовки. Схема орбиты и противостояний данной планеты. Особенности природы и спутники Марса. Исследования планеты при помощи космических аппаратов.

презентация , добавлен 16.05.2011


Вклад українських вчених в розвиток космонавтики та дослідження космосу. Рішення про сумісне вивчення Марса американськими і європейськими вченими. Місія "Розетти" та посадкового модуля "Філи". Докази позаземного життя. Всесвіт очима телескопа хаббла.

презентация , добавлен 10.04.2016


Современная картина Вселенной. Межзвездный газ и пыль. Фундаментальная простота эллиптических галактик. Закон всеобщего "разбегания" галактик. Гипотеза Фридмана. Космические монстры. Спектр квазаров. Понятие "чёрные дыры". Что ждёт Вселенную в будущем.

курсовая работа , добавлен 23.01.2009


Крупнейшие астрономические открытия XV-XVII века - время работы великих ученых. Значение для астрономии научной деятельности Коперника, Тихо Браге, законов движения планет Кеплера, исследований Галилея. Открытие И. Ньютоном закона всемирного тяготения.

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 .

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.