"Физика (базовый и профильный уровни)", Тихомирова С.А., Яворский Б.М.
Вселенную на огромных масштабах описывают как однородную и изотропную, хотя отдельные галактики и их скопления распределены неравномерно. Спектры далёких галактик показывают красное смещение, а закон Хаббла связывает скорость их удаления с расстоянием. Эти наблюдения говорят о расширении пространства и позволяют представить, что раньше Вселенная была горячее и плотнее. Свидетельство её раннего состояния — реликтовое излучение, сохранившееся до наших дней.
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 одинаковое среднее распределение вещества в разных областях, а изотропность — отсутствие выделенного направления. Это не значит, что рядом с нами нет галактик, скоплений и пустот: на малых масштабах неоднородности заметны. Принцип нужен, чтобы описывать Вселенную в целом, не принимая особенности отдельного места за свойства всего космоса.
Красное смещение — смещение спектральных линий излучения к красному краю спектра по сравнению с их положением для источника в покое. Спектральные линии — характерные участки спектра, по которым можно распознавать вещества и сравнивать излучение. У далёких галактик такие линии обычно смещены в красную сторону, что связывают с их удалением. Это наблюдение позволяет изучать движение галактик, даже когда нельзя напрямую проследить его за короткое время.
Закон Хаббла выражает пропорциональность скорости удаления далёкой галактики расстоянию до неё: v = H₀r. Здесь v — скорость удаления, r — расстояние, а H₀ — постоянная Хаббла, задающая масштаб расширения. Например, при H₀ = 70 км/(с·Мпк) увеличение расстояния на один мегапарсек соответствует увеличению скорости удаления примерно на 70 км/с. Закон нужен, чтобы по расстоянию оценивать скорость и сравнивать темп расширения на разных масштабах.
Реликтовое излучение — сохранившееся тепловое излучение ранней горячей Вселенной. Тепловым называют излучение, связанное с температурой вещества и среды, в которой оно распространялось. По мере расширения Вселенной это излучение менялось, но не исчезло и наблюдается сегодня. Оно важно тем, что даёт прямое наблюдательное свидетельство горячего и плотного прошлого космоса.
На малых масштабах распределение вещества во Вселенной далеко от равномерного: галактики собираются в группы и скопления, а между ними есть менее плотные области. Однако на достаточно больших расстояниях отдельные скопления сглаживаются, и среднее распределение становится примерно одинаковым. Поэтому космологи используют космологический принцип как модель описания Вселенной в целом. Без него пришлось бы предполагать, что наше место или направление наблюдения особенные, хотя наблюдения не требуют такого вывода.
Свет далёких галактик можно разложить в спектр и сравнить положения его линий с известными спектральными линиями тех же веществ в лаборатории. Если линии сдвинуты к красному краю, длины волн наблюдаемого света увеличены. Для далёких галактик это наблюдаемое красное смещение связывают с их удалением и расширением Вселенной. Вывод основан не на том, что галактика стала тусклее, а на изменении положения спектральных линий.
Расширение Вселенной означает увеличение расстояний между далёкими галактиками из-за изменения масштаба пространства. Его не следует представлять как разлёт вещества из единственной точки в заранее существующее пространство: такое представление ошибочно выделяет центр и внешнюю область расширения. В однородной космологической модели наблюдатель в любой достаточно удалённой галактике увидел бы похожую общую картину. При этом связанные гравитацией системы, например звёздные системы и галактики, не обязаны расширяться вместе со всем космосом.
Закон Хаббла связывает скорость удаления галактики с расстоянием формулой v = H₀r. Постоянная H₀ показывает, насколько быстро растёт скорость удаления при увеличении расстояния на единицу. Значит, измерив расстояние, можно оценить скорость удаления, а сопоставив расстояния и скорости множества галактик — исследовать общий масштаб расширения. Закон применяют к далёким галактикам, для которых космологическое расширение заметно; движение близких объектов может зависеть и от местных гравитационных взаимодействий.
Если расстояния между галактиками со временем увеличиваются, то при взгляде назад во времени Вселенная была компактнее. В меньшем объёме находилось то же космическое содержимое, поэтому средняя плотность была выше; сжатие также означает более высокую температуру ранней Вселенной. Горячее вещество и излучение взаимодействовали, а сохранившаяся часть теплового излучения наблюдается теперь как реликтовое. Его наличие и свойства согласуются с картиной горячего прошлого и служат свидетельством этой ранней стадии.
| Понятие или наблюдение | Что показывает | Какой вывод позволяет сделать |
|---|---|---|
| Космологический принцип | На больших масштабах Вселенная в среднем однородна и изотропна. | Можно описывать общие свойства Вселенной, не выделяя особое место или направление. |
| Красное смещение галактик | Спектральные линии далёких галактик сдвинуты к красному краю. | Далёкие галактики удаляются; наблюдение согласуется с расширением Вселенной. |
| Закон Хаббла | Скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию: v = H₀r. | Можно оценить скорость удаления и масштаб расширения. |
| Реликтовое излучение | До нас дошло тепловое излучение ранней горячей Вселенной. | Вселенная в прошлом была горячее и плотнее, чем сейчас. |
Пользуйтесь таблицей как цепочкой: наблюдение указывает на свойство, а из него делают вывод о Вселенной. Космологический принцип задаёт общий способ описания, а спектры и реликтовое излучение дают наблюдательные основания для выводов. Закон Хаббла помогает перейти от расстояния к скорости удаления.
Задача 1. Спектральные линии далёкой галактики смещены к красному краю спектра. Нужно объяснить, какой вывод о движении галактики можно сделать. Сначала важно понять, что сравнивают именно положение линий, а не яркость объекта. Для далёких галактик такое красное смещение служит признаком удаления.
Ответ: далёкая галактика удаляется от наблюдателя. Одного изменения яркости для такого вывода было бы недостаточно. В космологии вывод делают по спектральным линиям и общему контексту наблюдений.
Задача 2. Галактика находится на расстоянии 50 Мпк, H₀ = 70 км/(с·Мпк). Требуется найти скорость её удаления по закону Хаббла. Используем формулу v = H₀r, в которой скорость прямо пропорциональна расстоянию. Произведение единиц сразу подсказывает, в каких единицах получится ответ.
Ответ: скорость удаления галактики составляет 3500 км/с. Мегапарсеки сокращаются, поэтому остаются километры в секунду. Полученное значение относится к оценке по закону Хаббла.
Задача 3. Две галактики находятся на расстояниях 40 Мпк и 120 Мпк от наблюдателя, и для них применим закон Хаббла. Нужно сравнить скорости их удаления. Необязательно вычислять обе скорости отдельно, поскольку закон задаёт прямую пропорциональность. Сначала сравним расстояния, а затем применим ту же пропорцию к скоростям.
Ответ: галактика на расстоянии 120 Мпк удаляется втрое быстрее, чем галактика на расстоянии 40 Мпк. Такое сравнение работает при применимости закона Хаббла к обеим галактикам. В расширяющейся Вселенной большее расстояние соответствует большей скорости удаления.
Ошибка — считать, что любое красное смещение само по себе доказывает удаление любой галактики. Её допускают, когда забывают, что спектр и его изменение нужно рассматривать в контексте наблюдений и природы источника. Для далёких галактик космологическое красное смещение связывают с расширением, но один цвет или изменение яркости такого вывода не даёт. Проверьте себя: указаны ли спектральные линии и речь ли идёт о далёком объекте?
Ошибка — воображать расширение как взрыв из одной точки в заранее существующем пространстве. Такой образ кажется наглядным, но вводит точку-центр, от которой якобы летит вещество. В космологическом описании увеличиваются расстояния между далёкими галактиками, а выделенного центра расширения в пространстве нет. Проверьте себя: не приписали ли вы Вселенной центр и край, которых модель не требует?
Ошибка — ожидать, что расширение заставляет каждую галактику удаляться от ближайших соседей. Её допускают, если переносят закон для больших масштабов на любые расстояния и игнорируют гравитацию. На малых масштабах гравитация может удерживать объекты связанными, поэтому расширение Вселенной не раздвигает все системы одинаково. Проверьте себя: рассматриваете ли вы далёкие галактики или связанную систему?
Ошибка — называть реликтовое излучение светом отдельных далёких звёзд. Путаница возникает потому, что оба явления связаны с излучением, которое можно наблюдать с Земли. Реликтовое излучение — тепловой остаток ранней горячей Вселенной, а не свет конкретной звезды или галактики. Проверьте себя: связано ли объяснение этого излучения с историей Вселенной в целом?
Для понимания красного смещения нужны знания о спектрах излучения и основах эффекта Доплера: они помогают сравнить наблюдаемые линии с ожидаемыми. Закон Хаббла опирается на понятия расстояния и скорости, а также на понимание прямой пропорциональности. Эти знания позволяют не только подставить числа в формулу, но и объяснить результат. Дальше представления о расширении и реликтовом излучении пригодятся при изучении космологии, возраста Вселенной, тёмной материи и тёмной энергии.
Почему галактики удаляются друг от друга?
На больших масштабах расстояния между галактиками увеличиваются вместе с расширением Вселенной. Это не обязательно означает, что каждая галактика летит сквозь пространство от общего центра: меняется сам масштаб пространства между далёкими объектами.
Есть ли у расширяющейся Вселенной центр?
В стандартном описании расширения у Вселенной нет выделенного центра в пространстве. Увеличение расстояний происходит между далёкими галактиками повсюду, а не от одной особой точки.
Как по спектру узнают, что галактика удаляется?
В спектре галактики находят линии, соответствующие известным химическим элементам, и сравнивают их положение с лабораторным. Если линии сдвинуты к красному краю спектра, это красное смещение; для далёких галактик оно свидетельствует об удалении.
Что именно показывает закон Хаббла?
Закон Хаббла задаёт связь между расстоянием до далёкой галактики и скоростью её удаления: v = H₀r. В пределах применимости закона более далёкие галактики в среднем удаляются быстрее.
Почему реликтовое излучение считают свидетельством Большого взрыва?
Реликтовое излучение — остаток теплового излучения ранней горячей Вселенной. Его существование согласуется с представлением, что расширяющаяся Вселенная в прошлом была гораздо плотнее и горячее.
§ 85. Современные взгляды на строение Вселенной
