"Астрономия", Галузо И.В., Голубев В.А., Шимбалев А.А.
Расширение Вселенной — увеличение расстояний между далёкими галактиками, которые не связаны общей гравитацией. Его обнаруживают по спектрам: линии света галактик смещены к красному краю, а чем дальше галактика, тем быстрее она в среднем удаляется. Эту зависимость описывает закон Хаббла v = H₀r. Он помогает оценивать расстояния до далёких объектов и позволяет судить о прошлом Вселенной, но не означает, что расширяются звёздные системы и другие гравитационно связанные объекты.
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 удалёнными галактиками, не связанными между собой гравитационно. Это не означает, что каждая галактика летит из одного центра в пустое пространство. Понятие нужно, чтобы описывать крупномасштабное изменение расстояний во Вселенной.
Красное смещение — увеличение длины волны света от удаляющегося источника; для спектральных линий его характеризует величина z = (λнабл − λ₀) / λ₀. Здесь λ₀ — длина волны линии, измеренная в лаборатории, а λнабл — её длина волны в спектре галактики. По z астрономы количественно сравнивают спектры и исследуют удаление далёких галактик.
Закон Хаббла — зависимость скорости удаления далёкой галактики от расстояния до неё: v = H₀r. В этой записи v — скорость удаления, r — расстояние, а H₀ — постоянная Хаббла. Закон нужен, чтобы связывать измеряемые наблюдениями скорость и расстояние.
Постоянная Хаббла — коэффициент H₀ в законе Хаббла, задающий современный темп расширения Вселенной. Если H₀ выразить в км/(с·Мпк), то на каждый мегапарсек расстояния приходится соответствующая прибавка скорости в километрах в секунду. Эта величина помогает переводить расстояние в скорость удаления и наоборот.
В спектре галактики находят знакомые линии, которые в лаборатории имеют определённые длины волн. Если линии наблюдаются на больших длинах волн и смещены к красному краю спектра, рассчитывают z по формуле (λнабл − λ₀) / λ₀. При удалении волны света растягиваются, поэтому их длина увеличивается. Так спектр даёт способ заметить движение источника, даже когда нельзя непосредственно проследить его перемещение по небу.
Эдвин Хаббл сопоставил расстояния до галактик с оценками их скоростей по спектральным смещениям. Наблюдения показали общую тенденцию: чем дальше галактика, тем больше её скорость удаления. Такая связь указывает не на случайный разлёт отдельных объектов, а на изменение масштаба расстояний в крупномасштабной Вселенной. Поэтому зависимость описали законом v = H₀r, где наклон связи скорости с расстоянием выражает H₀.
При расширении пространства увеличивается расстояние между далёкими галактиками, которые не удерживаются вместе общей гравитацией. Для более далёкого объекта расширение действует на большем протяжении пути, поэтому его скорость удаления в среднем выше. Это не означает, что все расстояния обязаны расти: внутри звёздных систем и других гравитационно связанных областей притяжение удерживает объекты вместе. Закон Хаббла описывает общую тенденцию на больших расстояниях, а не каждое локальное движение.
Если известны расстояние и H₀, закон Хаббла позволяет оценить скорость удаления: достаточно умножить r на H₀. Если известна скорость, расстояние можно найти делением v на H₀. При этом важно согласовать единицы: значение H₀ в км/(с·Мпк) предполагает, что r выражено в мегапарсеках. Так спектральные наблюдения и закон помогают оценивать расстояния до далёких галактик.
Если сейчас галактики в среднем удаляются друг от друга, то при мысленном движении назад расстояния между ними становятся меньше. Следовательно, прежняя Вселенная была плотнее, а из-за сжатия вещества и излучения — горячее. Обратная постоянная Хаббла H₀⁻¹ задаёт примерный временной масштаб, связанный с нынешним темпом расширения. Но скорость расширения менялась, поэтому это не точный возраст: для его расчёта нужна история расширения в космологической модели.
| Величина или явление | Обозначение и связь | Что показывает |
|---|---|---|
| Красное смещение | z = (λнабл − λ₀) / λ₀ | Изменение длины волны спектральной линии |
| Скорость удаления галактики | v; v = H₀r | Как быстро увеличивается расстояние до далёкой галактики |
| Расстояние до галактики | r; r = v / H₀ | Удалённость объекта от наблюдателя |
| Постоянная Хаббла | H₀; H₀ = v / r | Современный темп расширения Вселенной |
| Закон Хаббла | v = H₀r | Связь скорости удаления с расстоянием |
Сначала определите, какая величина дана и какую требуется найти, затем выберите подходящую запись связи. Проверяйте единицы: при H₀ в км/(с·Мпк) расстояние указывают в Мпк, а скорость получают в км/с. Таблица помогает отличить непосредственно наблюдаемое спектральное смещение от величин, связанных законом Хаббла.
Задача 1. В спектре галактики линия с лабораторной длиной волны 500 нм наблюдается на длине волны 505 нм. Найдём красное смещение, сравнив наблюдаемую длину волны с лабораторной. Результат должен быть безразмерным, потому что в формуле делятся длины, выраженные в одинаковых единицах.
Ответ: красное смещение равно 0,01. Положительное значение получилось потому, что наблюдаемая длина волны больше лабораторной, то есть линия сместилась к красному краю спектра.
Задача 2. Галактика находится на расстоянии 50 Мпк. Найдём скорость её удаления при H₀ = 70 км/(с·Мпк). Используем закон Хаббла, поскольку известны расстояние и постоянная, а требуется скорость. Единицы согласованы: Мпк в расстоянии сократится с Мпк в знаменателе единицы H₀.
Ответ: скорость удаления равна 3500 км/с. Это оценка по средней зависимости для далёких галактик, а не утверждение о движении любого объекта на таком расстоянии.
Задача 3. Скорость удаления далёкой галактики оценена в 14 000 км/с. Найдём расстояние при H₀ = 70 км/(с·Мпк) и объясним точность ответа. Поскольку скорость дана, закон Хаббла нужно преобразовать относительно r. После вычисления проверим, что единицы результата — мегапарсеки.
Ответ: расстояние составляет примерно 200 Мпк. Это приближённая оценка: простая линейная связь лучше работает при сравнительно небольших красных смещениях, а результат зависит от точности H₀ и особенностей космологической модели.
Первая ошибка — представлять галактики разлетающимися из особой точки пространства. Такой образ легко возникает, если сравнивать расширение с разлётом осколков после взрыва, но у расширения Вселенной нет выделенного центра в пространстве. Речь идёт об увеличении расстояний между далёкими объектами. Проверьте себя: не приписываете ли вы наблюдателю или одной галактике привилегированное положение?
Вторая ошибка — путать расширение с обычным движением галактик сквозь неподвижное пространство. Эти представления похожи тем, что расстояния между объектами растут, но закон Хаббла описывает общую космологическую связь расстояния и скорости удаления. Третья ошибка — подставлять расстояние в неверных единицах: при H₀ в км/(с·Мпк) нужны мегапарсеки. Проверка проста: проследите за сокращением единиц в произведении H₀r или в частном v/H₀.
Четвёртая ошибка — считать H₀⁻¹ точным возрастом Вселенной. Обратная постоянная задаёт характерное время, но предполагает слишком простую картину, если не учитывать изменение скорости расширения. Это упрощение возникает из-за того, что у H₀ обратная единица времени. Проверяйте вывод: если требуется точный возраст, одной современной величины H₀ недостаточно — нужна модель истории расширения.
Для понимания красного смещения нужны знания о спектре, длине волны и доплеровском смещении: это помогает увидеть, как по линиям судят об изменении света. Для работы с законом Хаббла пригодятся астрономические единицы расстояния — парсек и мегапарсек, а также навыки перевода единиц. Закон и красное смещение используют при определении расстояний и изучении далёких галактик. Эти идеи подготавливают к изучению космологических моделей, Большого взрыва и эволюции Вселенной.
Как по спектру галактики определить, что она удаляется?
Сравнивают длины волн спектральных линий галактики с длинами волн тех же линий, измеренными в лаборатории. Если линии смещены к красному краю спектра, длина волны увеличилась: это красное смещение, которое для далёкой галактики служит признаком удаления.
Почему чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется?
При расширении пространства расстояния между далёкими, не связанными гравитацией галактиками увеличиваются. Для каждой единицы расстояния в среднем добавляется одинаковый вклад в скорость удаления, поэтому более далёкие галактики удаляются быстрее; эту зависимость выражает закон Хаббла.
Что показывает постоянная Хаббла?
Постоянная Хаббла H₀ задаёт современный темп расширения Вселенной. В законе v = H₀r она показывает, насколько возрастает скорость удаления галактики при увеличении расстояния на единицу.
Есть ли у расширения Вселенной центр?
Нет, расширение не происходит из одной особой точки пространства. Оно означает, что расстояния между далёкими галактиками увеличиваются, поэтому наблюдателю в любой такой галактике другие далёкие галактики в среднем будут казаться удаляющимися.
Можно ли считать обратную постоянную Хаббла возрастом Вселенной?
Нет. Величина H₀⁻¹ задаёт характерный временной масштаб расширения, но не учитывает, как его скорость менялась на протяжении истории Вселенной. Поэтому точный возраст определяют с помощью космологической модели и данных наблюдений.
§ 30. Расширяющаяся Вселенная
