"Астрономия (базовый уровень)", Воронцов-Вельяминов Б.А., Страут Е.К.
Современная космология изучает Вселенную как единое целое: её строение, расширение и историю. Наблюдения спектров далёких галактик показывают, что они удаляются, причём скорость удаления в среднем растёт с расстоянием. Это описывает закон Хаббла. Реликтовое излучение позволяет увидеть след ранней горячей Вселенной, а космологический принцип помогает строить общую модель её устройства. Вместе эти идеи связывают наблюдения с представлением о развитии Вселенной.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Космологический принцип — предположение, что на достаточно больших масштабах Вселенная однородна и изотропна. Однородность означает примерно равномерное распределение вещества, а изотропность — сходство наблюдений в разных направлениях. Это не означает одинакового устройства каждой галактики: принцип нужен для описания Вселенной в целом.
Красное смещение — увеличение длины волны света, из-за которого спектральные линии оказываются ближе к красному краю спектра. У далёких галактик его связывают с их удалением и расширением Вселенной. По величине смещения астрономы изучают движение галактик и историю космоса.
Постоянная Хаббла — коэффициент H₀ в зависимости скорости удаления галактики от расстояния: v = H₀r. Она показывает, на сколько километров в секунду в среднем возрастает скорость удаления при увеличении расстояния на один мегапарсек. Её единицы — км/(с·Мпк), где Мпк означает мегапарсек.
Реликтовое излучение — излучение, сохранившееся с ранней горячей стадии развития Вселенной. По мере расширения пространства оно остыло и теперь наблюдается как слабый фон со всех направлений. Это важно, потому что реликтовое излучение даёт сведения не только о галактиках, но и о гораздо более ранней Вселенной.
Вселенная слишком велика, чтобы описывать её, изучая каждую звезду отдельно. Поэтому космологи ищут закономерности на масштабах, где множество галактик можно рассматривать как части единой системы. На таких масштабах распределение вещества в среднем сглаживается, и становится полезным предположение об однородности и изотропности. На меньших масштабах оно не работает: вещество собирается в звёзды, галактики и скопления.
Свет галактики можно разложить в спектр и сравнить положение его линий с линиями тех же веществ в лаборатории. Если линии смещены к большим длинам волн, наблюдается красное смещение; при смещении к меньшим длинам волн говорят о синем. Спектральные линии нужны потому, что позволяют измерить смещение точно, а не судить о движении по видимому цвету объекта. Для далёких галактик систематическое красное смещение понимают как проявление расширения пространства, которое растягивает световые волны по пути к наблюдателю.
Когда астрономы сопоставили расстояния до галактик с их скоростями удаления, обнаружилась закономерность: в среднем скорость тем больше, чем дальше галактика. Пропорциональность выражается законом Хаббла v = H₀r, где v — скорость, r — расстояние, а H₀ — коэффициент пропорциональности. Если известны расстояние и H₀, можно оценить скорость, а если известны скорость и H₀ — расстояние. Это соотношение описывает крупномасштабное расширение, а не движение каждой галактики без исключения.
Если Вселенная расширяется сейчас, то при мысленном движении назад её объём был меньше, а вещество — плотнее и горячее. Так возникает модель горячего начала: ранняя Вселенная находилась в горячем плотном состоянии и затем расширялась и остывала. Большой взрыв не следует представлять как взрыв вещества из одной точки в уже существующую пустоту. Речь идёт об эволюции Вселенной и расширении самого пространства; у наблюдаемой Вселенной нет особого центра разлёта.
На раннем этапе вещество и излучение взаимодействовали, поэтому свет не мог свободно распространяться на большие расстояния. Когда Вселенная остыла достаточно, излучение отделилось от вещества и продолжило путь, постепенно теряя энергию при расширении пространства. Его след сегодня и есть реликтовое излучение, приходящее со всех направлений, поскольку мы видим излучение от удалённой поверхности ранней Вселенной вокруг себя. Оно дополняет данные о красных смещениях: галактики показывают расширение на поздних этапах, а реликтовое излучение свидетельствует о горячем раннем состоянии.
| Наблюдение или понятие | Что показывает | Как связано с современной космологией |
|---|---|---|
| Красное смещение спектров галактик | Спектральные линии смещены к большим длинам волн | Указывает на удаление галактик и расширение Вселенной |
| Закон Хаббла | Связывает скорость удаления с расстоянием | Позволяет количественно описывать крупномасштабное расширение |
| Реликтовое излучение | Слабый фон, наблюдаемый со всех направлений | Свидетельствует о горячем раннем этапе развития Вселенной |
| Космологический принцип | На больших масштабах Вселенная однородна и изотропна | Даёт основу для построения общей модели Вселенной |
Таблица помогает отличать непосредственное наблюдение от его космологического смысла. Красное смещение и реликтовое излучение — наблюдаемые данные, а закон Хаббла и космологический принцип помогают их описывать и объяснять. Вместе они поддерживают модель расширяющейся Вселенной и её эволюции.
Условие. Галактика находится на расстоянии 20 Мпк, а постоянная Хаббла задана в условии. Нужно оценить скорость её удаления. Поскольку численное значение H₀ не указано, ответ запишем через него.
Ответ: v = 20H₀, а при H₀ = 70 км/(с·Мпк) скорость составляет 1400 км/с. Проверка единиц показывает, что результат выражен в км/с. В таких задачах нельзя подставлять расстояние в мегапарсеках, если значение H₀ дано в несовместимых единицах.
Условие. Известны скорость удаления галактики v и постоянная Хаббла H₀. Требуется найти расстояние. Числа в условии не заданы, поэтому разберём общий способ.
Ответ: расстояние находят по формуле r = v/H₀. В приведённом примере r = 20 Мпк. Если получить в ответе скорость или единицы, отличные от единиц расстояния, значит, формула преобразована или единицы согласованы неверно.
Условие. До двух галактик расстояния r₁ и r₂, причём вторая расположена дальше: r₂ > r₁. Нужно сравнить их ожидаемые скорости удаления. Считаем, что обе галактики подчиняются закону Хаббла и наблюдаются в одной космологической модели.
Ответ: более далёкая галактика обычно удаляется быстрее, поскольку скорость пропорциональна расстоянию. Это не означает, что она разгоняется от первой галактики: закономерность связана с расширением пространства. Для отдельных объектов на результат также могут влиять их собственные движения.
Представлять расширение как разлёт из центра в пустоту. Такую картину легко вообразить по аналогии с обычным взрывом, но она предполагает внешний центр и заранее существующее пространство. В космологической модели расширяется само пространство, поэтому выделенного центра у наблюдаемой Вселенной нет. Проверка: спросите себя, можно ли указать место, откуда удаляются все галактики; в стандартном описании такого места нет.
Смешивать красное смещение с изменением цвета источника. Цвет галактики зависит от множества особенностей её света, поэтому он не даёт надёжной оценки движения сам по себе. Красное смещение определяют по положению спектральных линий относительно лабораторных значений. Проверка: если в объяснении нет сравнения линий спектра, значит, речь может идти не о точном измерении смещения.
Путать скорость удаления с расстоянием. Эти величины связаны законом Хаббла, но измеряются по-разному: расстояние — например, в мегапарсеках, скорость — в километрах в секунду. Подстановка одной величины вместо другой меняет смысл расчёта. Проверка: перед решением подпишите v и r и убедитесь, что используете правильную форму v = H₀r или r = v/H₀.
Считать, что реликтовое излучение идёт из одной точки или от современных звёзд. Ошибка возникает, если принять его за обычный свет конкретного объекта. Это древний фон ранней Вселенной, который приходит к наблюдателю со всех направлений. Проверка: вспомните его связь с горячим этапом до появления современных звёзд и галактик.
Для понимания красного смещения нужно знать, как свет раскладывают в спектр и как распознают спектральные линии. Также пригодятся понятия длины волны и её смещения. Они позволяют перейти от наблюдаемого спектра к выводу о движении далёкой галактики.
Чтобы применять закон Хаббла, нужно различать расстояние и скорость, знать единицы измерения и уметь работать с пропорциями. Особенно важно проверять согласованность единиц: значение H₀ обычно дано в километрах в секунду на мегапарсек. Тогда расчёт даёт скорость в км/с, если расстояние указано в Мпк.
Космологический принцип, закон Хаббла и реликтовое излучение образуют основу дальнейшего изучения эволюции Вселенной. На них опираются при обсуждении её возраста и наблюдательных свидетельств ранних этапов. Следующий шаг — сопоставлять разные данные, чтобы уточнять модели космической истории.
Где находится центр расширяющейся Вселенной?
У расширения Вселенной нет выделенного центра, из которого галактики разлетаются в окружающее пустое пространство. Расширяется само пространство, поэтому на больших масштабах наблюдатели в разных галактиках видят удаление далёких галактик.
Почему далёкие галактики выглядят краснее?
Их световые волны растягиваются по мере расширения пространства, поэтому длины волн увеличиваются и спектральные линии смещаются к красному краю спектра. Это называют красным смещением; его определяют по линиям, а не просто по оттенку галактики.
Что показывает закон Хаббла?
Закон Хаббла связывает скорость удаления галактики v с расстоянием до неё r: v = H₀r. В среднем более далёкие галактики удаляются быстрее, а H₀ — постоянная Хаббла.
Как реликтовое излучение подтверждает модель Большого взрыва?
Оно представляет собой охлаждённое излучение ранней горячей Вселенной, когда вещество и свет ещё взаимодействовали. Его наблюдение со всех направлений согласуется с тем, что Вселенная расширялась и остывала.
Можно ли по постоянной Хаббла оценить возраст Вселенной?
Приближённую оценку даёт величина 1/H₀: это характерное время расширения. Но возраст Вселенной не равен ей точно, поскольку скорость расширения менялась; для точного расчёта нужна космологическая модель.
§ 27. Основы современной космологии
