"Астрономия (базовый уровень)", Чаругин В.М.
Далёкие галактики в среднем удаляются друг от друга, потому что расширяется само пространство. Это явление называют расширением Вселенной, а один из главных способов его обнаружить — измерить красное смещение света галактик. Связь скорости удаления с расстоянием выражает закон Хаббла: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. По этой зависимости астрономы изучают масштабы и историю космоса, а постоянная Хаббла помогает оценить характерное время расширения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Расширение Вселенной — увеличение со временем расстояний между далёкими галактиками, не связанное с их движением сквозь пространство от общего центра. Иными словами, меняется масштаб самого пространства между большими космическими объектами. Это понятие нужно, чтобы объяснить, почему далёкие галактики в среднем удаляются друг от друга.
Красное смещение — увеличение длины волны света далёкого объекта. В спектре это проявляется как смещение линий к красному концу; обозначают величину обычно буквой z. По красному смещению можно оценить скорость удаления галактики, но само смещение и скорость — не одно и то же.
Закон Хаббла — зависимость скорости удаления галактики от расстояния до неё: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Его записывают формулой v = H₀r, где v — скорость, r — расстояние. Закон позволяет по известному расстоянию оценить скорость или, наоборот, получить расстояние из скорости.
Постоянная Хаббла — коэффициент пропорциональности в законе Хаббла, показывающий, насколько быстро растёт скорость удаления с расстоянием. Её обозначают H₀ и часто выражают в км/(с·Мпк). Она нужна для перевода расстояния в скорость и задаёт характерный масштаб времени расширения Вселенной.
У атомов и молекул есть характерные спектральные линии — участки спектра с определёнными длинами волн. В лаборатории эти длины волн измеряют точно, а затем ищут те же линии в спектре галактики. Если линия наблюдается при большей длине волны, чем лабораторная, вычисляют z = (λнабл − λ₀) / λ₀. Сравнение целого набора линий помогает убедиться, что смещение измерено правильно, а не вызвано ошибкой наблюдений.
При обычном движении источника относительно наблюдателя длина волны тоже меняется: это доплеровский эффект. Но для далёких галактик красное смещение объясняется главным образом тем, что за время распространения света Вселенная расширялась, и вместе с пространством увеличилась длина волны. Поэтому наблюдаемое смещение нельзя всегда понимать как движение галактики сквозь пространство от одной точки. Для близких объектов вклад обычных скоростей может быть заметен, а при малом красном смещении связь с относительной скоростью приближённо записывают как v ≈ cz.
Чтобы проверить связь расстояния и скорости, астрономам нужно определить обе величины для множества галактик. Расстояния находят с помощью астрономических методов и объектов известной светимости, а скорости оценивают по спектральному смещению. Если нанести полученные значения на график, точки в среднем располагаются вдоль возрастающей линии. Наблюдательный разброс не отменяет общей закономерности: чем больше расстояние, тем больше скорость удаления.
Линейную зависимость выражает формула v = H₀r. Коэффициент H₀ показывает наклон графика: при увеличении расстояния на один мегапарсек скорость в среднем возрастает на H₀ километров в секунду. Например, значение 70 км/(с·Мпк) означает прирост примерно 70 км/с на каждый Мпк. Если измерены расстояние и скорость нескольких галактик, по наклону зависимости можно оценить H₀.
Единицы H₀ помогают понять её смысл: это скорость, делённая на расстояние, а не скорость одной конкретной галактики. Обратная величина 1/H₀ имеет размерность времени, поскольку при обращении единиц расстояние сокращается. Она задаёт характерный масштаб времени расширения; например, при H₀ около 70 км/(с·Мпк) этот масштаб составляет примерно 14 миллиардов лет. Однако это не автоматически точный возраст Вселенной: для его расчёта нужна модель того, как расширение менялось со временем.
Расширение не похоже на взрыв, при котором галактики разлетаются из центра в заранее существующую пустоту. В космологической модели увеличиваются расстояния между далёкими объектами во всех направлениях, а каждый наблюдатель видит удаление далёких галактик. Это согласуется с однородностью Вселенной: в больших масштабах её свойства не выделяют особую точку или наблюдателя. Поэтому у расширения нет центра, расположенного где-то среди галактик.
| Величина или понятие | Что означает | Как определяется или используется | Единицы / связь |
|---|---|---|---|
| Красное смещение | Увеличение длины волны света | Сравнивают наблюдаемую и лабораторную длины волн | Безразмерное z = (λнабл − λ₀) / λ₀ |
| Скорость удаления галактики | Скорость, с которой растёт расстояние до далёкой галактики | Оценивают по красному смещению; при малом z используют v ≈ cz | км/с |
| Расстояние до галактики | Удалённость галактики от наблюдателя | Измеряют астрономическими методами и используют в законе Хаббла | Мпк |
| Закон Хаббла | Пропорциональность скорости удаления расстоянию | По нему находят скорость или расстояние | v = H₀r |
| Постоянная Хаббла | Наклон зависимости скорости от расстояния | Находят по измерениям для множества галактик | км/(с·Мпк) |
Таблица связывает наблюдаемые данные с выводами: спектр даёт красное смещение, а расстояние и оценка скорости позволяют проверить закон Хаббла. В задачах сначала определите, какая величина дана и какую требуется найти. Затем выберите соответствующую формулу и проверьте, что единицы согласованы.
Задача 1. У спектральной линии галактики лабораторная длина волны 500 нм, а наблюдаемая — 510 нм. Найдите красное смещение по формуле z = (λнабл − λ₀) / λ₀. Поскольку наблюдаемая длина волны больше лабораторной, ожидаем положительный результат: это соответствует смещению к красному концу спектра.
Ответ: z = 0,02. Значение положительно, потому что длина волны увеличилась.
Задача 2. Галактика находится на расстоянии 100 Мпк. Оцените скорость её удаления, если H₀ = 70 км/(с·Мпк). Здесь даны расстояние и постоянная Хаббла, значит, напрямую используем закон v = H₀r. Единицы позволят проверить, что результат получится в км/с.
Ответ: скорость удаления составляет примерно 7000 км/с. Это оценка по линейному закону Хаббла.
Задача 3. По наблюдаемому красному смещению z = 0,01 оцените скорость удаления галактики при малых скоростях, а затем расстояние до неё при H₀ = 70 км/(с·Мпк). Малое значение z позволяет применить приближение v ≈ cz, где c ≈ 300 000 км/с. Сначала найдём скорость, а затем преобразуем закон Хаббла r = v/H₀.
Ответ: v ≈ 3000 км/с, r ≈ 43 Мпк. Приближение v ≈ cz подходит при малом z; для больших красных смещений нужна более полная космологическая модель.
Ошибка — считать красное смещение только обычным движением галактики сквозь пространство. Так думают, потому что знакомый доплеровский эффект тоже меняет длину волны при движении источника. Для далёких галактик основная причина смещения связана с расширением пространства. Проверьте себя: учитываете ли вы, что свет шёл до нас долго и за это время масштаб Вселенной изменился?
Не следует путать красное смещение со скоростью удаления. Смещение — наблюдаемая особенность спектра, а скорость получают из него с помощью соответствующей зависимости или приближения. Их путают, потому что при малых z величина смещения связана со скоростью простым соотношением. Проверьте ответ: z безразмерно, а скорость измеряется, например, в км/с.
В законе Хаббла нельзя менять местами расстояние и скорость: правильная запись — v = H₀r. Ещё одна ошибка — считать H₀ скоростью конкретной галактики, хотя это коэффициент, связывающий скорость с расстоянием. Путаница возникает из-за слова «скорость» в единицах постоянной. Проверьте размерность: при умножении H₀ на расстояние должна получиться скорость.
Представление о том, что все галактики разлетаются из единого центра, неверно. Оно возникает, если мысленно принять наблюдателя за точку взрыва, но при однородном расширении любой наблюдатель видит удаление далёких объектов. Расширяются расстояния между ними, а не происходит разлёт в окружающую пустоту из выделенного места. Проверьте себя: ваша модель не должна назначать особый центр, который нельзя выделить наблюдениями.
Для понимания красного смещения нужно знать, как устроен спектр и как сравнивать наблюдаемые линии с лабораторными. Если вы умеете находить одинаковые линии в двух спектрах, то сможете понять, изменилась ли длина волны. Эта идея связывает изучение света с наблюдениями галактик.
При решении задач понадобятся пропорции и перевод единиц расстояния и скорости. Например, в произведении H₀r единицы Мпк сокращаются, и остаются км/с. Умение оценивать порядок величин помогает заметить ошибку в вычислениях.
Закон Хаббла пригодится при изучении моделей эволюции Вселенной и Большого взрыва. Постоянная Хаббла связана с масштабами и характерным временем расширения, поэтому она важна и для обсуждения возраста космоса. Точный возраст находят не простым обращением H₀, а с учётом модели эволюции расширения.
Почему свет далёких галактик смещается к красному концу спектра?
По мере расширения Вселенной пространство между далёкой галактикой и нами увеличивается, и длина волны света растёт. Более длинные видимые волны соответствуют красному концу спектра, поэтому спектральные линии оказываются смещены туда.
Как по спектру определить красное смещение?
Сначала находят спектральную линию и сравнивают её наблюдаемую длину волны с лабораторной длиной волны той же линии. Красное смещение вычисляют по формуле z = (λнабл − λ₀) / λ₀. Если наблюдаемая длина волны больше, z положительно.
Что именно утверждает закон Хаббла?
Закон Хаббла утверждает, что скорость удаления далёкой галактики пропорциональна расстоянию до неё: v = H₀r. При одинаковом значении постоянной Хаббла более далёкая галактика в среднем удаляется быстрее.
Что показывает постоянная Хаббла и в каких единицах её измеряют?
Постоянная Хаббла H₀ показывает, насколько возрастает скорость удаления при увеличении расстояния на единицу. Её часто выражают в км/(с·Мпк): например, значение 70 означает прибавку примерно 70 км/с на каждый мегапарсек расстояния.
Если Вселенная расширяется, где находится центр этого расширения?
Единого центра, из которого галактики разлетаются в окружающую пустоту, нет. Расширяются расстояния между далёкими объектами повсюду, поэтому в однородной Вселенной наблюдатель не выделен особым центром.
35. Расширяющаяся Вселенная
