"Физика (Базовый и углубленный уровни)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Далёкие галактики в среднем удаляются друг от друга, и это наблюдаемое явление называют разбеганием галактик. Его изучают по спектру света: спектральные линии смещаются к красному краю, а величина смещения помогает оценить скорость удаления. Наблюдения показывают, что скорость связана с расстоянием законом Хаббла: v = H₀r. Это не разлёт из единого центра, а увеличение расстояний между объектами при расширении Вселенной. Постоянная Хаббла также задаёт характерный временной масштаб этого расширения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Разбегание галактик — наблюдаемое увеличение расстояний между далёкими галактиками, не связанное с их движением из общего центра. Иными словами, меняется расстояние между объектами в расширяющейся Вселенной, а не галактики разлетаются из одной точки. Это понятие нужно, чтобы описывать наблюдаемое расширение без представления о выделенном центре.
Красное смещение — увеличение длины волны света от галактики по сравнению с длиной волны, испущенной источником. Его обозначают z; по величине смещения спектральных линий оценивают, насколько изменился свет в пути к наблюдателю. Эта величина помогает перейти от наблюдения спектра к оценке движения галактики.
Постоянная Хаббла — коэффициент пропорциональности между скоростью удаления далёкой галактики и расстоянием до неё. Её обозначают H₀ и обычно указывают, например, в км/(с·Мпк). Она нужна для вычисления скорости по известному расстоянию или, наоборот, расстояния по скорости.
Закон Хаббла — зависимость скорости удаления галактики от расстояния: v = H₀r. Здесь v — скорость удаления, r — расстояние до галактики, H₀ — постоянная Хаббла. Закон позволяет количественно описать связь, выявленную при наблюдении множества далёких галактик.
Свет галактики можно разложить на спектр, в котором видны линии, соответствующие излучению определённых атомов. Положение линий сравнивают с тем, где они находятся в лабораторном спектре. Если линии сместились к красному краю, длина волны света стала больше. Такое сравнение позволяет заметить изменение, даже когда сама галактика видна как слабое далёкое пятно.
При небольших скоростях это изменение объясняется эффектом Доплера: волна от удаляющегося источника приходит к наблюдателю растянутой. Поэтому чем быстрее источник удаляется, тем больше относительное изменение длины волны. Для малых скоростей красное смещение выражается приближённо как z ≈ v/c, где c — скорость света. Чем больше z, тем выше оценка скорости удаления в рамках этого приближения.
Астрономы сопоставляют измеренную скорость удаления галактики с расстоянием до неё. Наблюдения показывают не одинаковую скорость у всех объектов, а закономерность: у далёких галактик скорость в среднем выше, чем у близких. Эту зависимость записывают как v = H₀r. Постоянная H₀ задаёт наклон такой зависимости: при большем H₀ одному и тому же расстоянию соответствует большая скорость.
Слово «разбегание» может создать ошибочное впечатление, будто галактики летят из одной точки пространства. Но расширение Вселенной означает, что увеличиваются расстояния между удалёнными объектами. Наблюдатель в другой галактике также увидел бы, что многие далёкие галактики удаляются от него. Поэтому Млечный Путь не занимает особого места в центре расширения.
Значение H₀ можно оценивать по наблюдениям, измеряя расстояния и скорости галактик. Обратная величина 1/H₀ имеет размерность времени, потому что H₀ измеряется как скорость, делённая на расстояние. Она задаёт характерный временной масштаб расширения Вселенной. Это оценка порядка величины, а не автоматически точный возраст Вселенной: для точного вывода нужно учитывать, как расширение менялось со временем.
| Величина или наблюдение | Что означает | Как связано с разбеганием |
|---|---|---|
| Красное смещение спектральных линий | Изменение длины волны линий в спектре | Для малых смещений позволяет оценить скорость удаления |
| Скорость удаления галактики | Скорость, с которой увеличивается расстояние до неё | Сравнивается с расстоянием и входит в закон Хаббла |
| Расстояние до галактики | Удалённость объекта от наблюдателя | Чем оно больше, тем выше средняя скорость удаления |
| Постоянная Хаббла | Коэффициент H₀ в связи скорости и расстояния | Определяет скорость расширения в законе Хаббла |
| Закон Хаббла | Формула v = H₀r | Связывает скорость удаления с расстоянием |
Таблица показывает цепочку рассуждения: спектр даёт красное смещение, оно помогает найти скорость, а скорость сопоставляют с расстоянием. Закон Хаббла позволяет выполнить такой расчёт в обе стороны, если известны постоянная и одна из двух величин. Перед вычислением проверьте, в каких единицах заданы H₀ и расстояние.
Задача 1. Галактика удаляется со скоростью 600 км/с. Найдите её красное смещение, считая скорость малой по сравнению со скоростью света. Здесь известна скорость, а требуется безразмерная величина z. Используем приближение z ≈ v/c и выразим обе скорости в одинаковых единицах.
Красное смещение равно примерно 0,002. Проверка показывает, что ответ безразмерен, как и должно быть для отношения двух скоростей. Малое значение z согласуется с использованием приближённой формулы.
Задача 2. Расстояние до далёкой галактики равно 100 Мпк, а H₀ = 70 км/(с·Мпк). Требуется оценить скорость её удаления. Поскольку дана постоянная пропорциональности и расстояние, применяем закон Хаббла. Единицы Мпк сократятся, и скорость получится в км/с.
Скорость удаления составляет около 7000 км/с. Единицы сокращаются правильно: (км/(с·Мпк)) · Мпк = км/с. Полученная скорость заметно меньше скорости света, но для этого задания использован закон Хаббла напрямую.
Задача 3. По спектру определено красное смещение z = 0,02. Оцените скорость удаления галактики, а затем расстояние до неё при H₀ = 70 км/(с·Мпк). Сначала переводим смещение в скорость приближённой формулой, затем применяем закон Хаббла. В обоих шагах важно не смешать единицы.
Скорость составляет примерно 6000 км/с, расстояние — около 86 Мпк. При делении единицы сокращаются так, что остаётся Мпк. Результат является оценкой, поскольку на первом шаге использовано приближение для малого красного смещения.
Ошибка: считать Млечный Путь центром разбегания. Так думают, потому что наблюдателю кажется, будто далёкие галактики удаляются именно от него. Но расширение увеличивает расстояния между объектами, и наблюдатель в другой галактике увидел бы похожую картину. Проверьте рассуждение: если бы существовал выделенный центр, наблюдения из разных мест не были бы равноправными.
Ошибка: путать красное смещение с покраснением света в среде. Слово «красное» может навести на мысль об изменении цвета из-за прохождения через вещество. Здесь речь о смещении спектральных линий относительно их лабораторных положений. Чтобы проверить себя, уточните, сравниваются ли длины волн линий, а не просто оттенок света.
Ошибка: подставлять расстояние в неподходящих единицах в v = H₀r. Если H₀ дана в км/(с·Мпк), подстановка расстояния в километрах даст неверный результат. Причина ошибки — невнимание к единицам в коэффициенте. Перед вычислением проверьте, что расстояние выражено в мегапарсеках и после сокращения получается км/с.
Ошибка: применять z ≈ v/c при очень больших скоростях. Эта формула выведена для малых скоростей по сравнению со скоростью света, но простота расчёта иногда заставляет использовать её без проверки. При больших красных смещениях такое приближение ненадёжно. Сначала оцените величину z и убедитесь, что рассматривается малое смещение; иначе нужна более точная модель.
Для понимания спектральных линий нужны знания о волновых свойствах света и длине волны: без них нельзя описать, что именно меняется в спектре. Эффект Доплера связывает движение источника с изменением наблюдаемой длины волны и помогает объяснить красное смещение. Закон Хаббла использует эти наблюдения при изучении расширения и эволюции Вселенной, а также при космологических оценках расстояний. Таким образом, тема соединяет свойства света, движение и представления о Вселенной.
Почему красное смещение показывает, что галактика удаляется?
При удалении источника длина волны его света увеличивается, поэтому спектральные линии смещаются к красному краю спектра. Для малых скоростей величина смещения z связана со скоростью формулой z ≈ v/c.
Что такое постоянная Хаббла?
Это коэффициент H₀, связывающий скорость удаления далёкой галактики с расстоянием до неё. В законе Хаббла v = H₀r он показывает, насколько возрастает скорость на единицу расстояния.
Почему далёкие галактики удаляются быстрее близких?
При расширении Вселенной увеличиваются расстояния между удалёнными друг от друга галактиками. Чем больше исходное расстояние, тем сильнее его увеличение за одно и то же время, поэтому средняя скорость удаления пропорциональна расстоянию.
Находится ли Млечный Путь в центре разбегания галактик?
Нет, Млечный Путь не является особым центром, из которого разлетаются все галактики. Разбегание описывает расширение пространства и увеличение расстояний между объектами.
Как по красному смещению оценить скорость удаления галактики?
Для небольшого красного смещения используют приближение v ≈ zc, где c — скорость света. Оно подходит, когда скорость намного меньше скорости света; при больших смещениях нужна более точная космологическая модель.
1. Разбегание галактик
