"Физика (Базовый и углубленный уровни)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Галактики — огромные системы звёзд, газа, пыли и тёмной материи, связанные гравитацией. Наблюдая Андромеду и другие туманные объекты, астрономы установили, что многие из них лежат далеко за пределами Млечного Пути. Их спектры показали: большинство далёких галактик удаляется, причём чем дальше галактика, тем обычно выше скорость удаления. Эту связь описывает закон Хаббла: v = H₀r. Он помогает оценивать космические расстояния и служит одним из свидетельств расширения Вселенной.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Галактика — гравитационно связанная система из звёзд, газа, пыли и тёмной материи. Она может содержать миллиарды звёзд и намного превосходит отдельную звезду или небольшое звёздное скопление. Гравитация удерживает её части вместе, поэтому галактику рассматривают как самостоятельную космическую систему.
Красное смещение — увеличение длины волны света, приходящего от удалённого объекта. В спектре галактики линии оказываются сдвинуты к красному концу по сравнению с теми же линиями, измеренными в лаборатории. По величине сдвига астрономы судят о движении объекта и оценивают его скорость удаления.
Закон Хаббла описывает приблизительную зависимость скорости удаления далёкой галактики от расстояния до неё: v = H₀r. Здесь v — скорость удаления, r — расстояние, а H₀ — постоянная Хаббла. Формула нужна, чтобы по одной из этих величин оценить другую, если объект достаточно далёк.
Постоянная Хаббла — коэффициент пропорциональности в законе Хаббла. Её, например, выражают в километрах в секунду на мегапарсек: км/(с·Мпк). Это означает, насколько увеличивается скорость удаления при увеличении расстояния на один мегапарсек; значение H₀ находят наблюдениями.
В прошлые века многие размытые пятна на небе называли туманностями, но одного внешнего вида было недостаточно, чтобы понять их природу. В начале XX века наблюдения переменных звёзд в Андромеде позволили оценить расстояние до этого объекта. Оно оказалось намного больше размеров Млечного Пути, значит, Андромеда не могла быть облаком газа внутри нашей Галактики. Так стало ясно, что перед астрономами другая галактика, а не часть Млечного Пути.
Свет галактики раскладывают в спектр — последовательность длин волн, в которой видны характерные спектральные линии. Сравнивая положение этих линий с лабораторными значениями, астрономы измеряют их сдвиг. Если линии смещены к большим длинам волн, говорят о красном смещении. Для удалённых галактик его связывают с удалением объекта: при доплеровском эффекте волны от удаляющегося источника растягиваются, а на космологических расстояниях учитывают также расширение пространства.
Спектры множества галактик показали, что красное смещение и, следовательно, удаление наблюдаются чаще, чем приближение. Это не значит, что галактики разлетаются из одной отмеченной точки: увеличиваются расстояния между далёкими системами по мере расширения пространства. В однородном расширении наблюдатель в любой галактике увидел бы похожую общую картину. Поэтому наблюдаемое удаление — свидетельство расширения Вселенной, а не доказательство особого положения Млечного Пути.
Связь между скоростью удаления и расстоянием позволяет использовать закон Хаббла как способ оценки космических расстояний: если известно v, то r приблизительно равно v/H₀. Но у близких галактик движение под действием взаимного притяжения может быть сравнимо со скоростью, связанной с расширением. Например, соседние галактики могут сближаться, хотя Вселенная в целом расширяется. Поэтому для близких объектов закон даёт менее надёжную оценку, а расстояния стараются определять и другими методами.
Расширение пространства заметно на больших масштабах, где галактики не связаны друг с другом общей гравитационной системой. Внутри галактики притяжение удерживает звёзды на своих местах, а в Солнечной системе планеты связаны с Солнцем. Эти силы препятствуют увеличению расстояний между связанными объектами из-за космического расширения. Поэтому не следует представлять, будто размеры Млечного Пути или орбит планет растут вместе с масштабом Вселенной.
| Что рассматривается | Что наблюдают или определяют | Какой вывод делают |
|---|---|---|
| Внешний вид и форма | Распределение света, очертания и структуру объекта | Объект может быть галактикой; внешний вид помогает описать её тип |
| Спектр и красное смещение | Сдвиг спектральных линий к большим длинам волн | Оценивают движение галактики относительно наблюдателя |
| Скорость удаления | Скорость, найденную по спектру | Определяют, как быстро меняется расстояние до галактики |
| Расстояние по закону Хаббла | Скорость удаления и значение H₀ | Оценивают расстояние по формуле r = v/H₀ |
| Движение галактик и расширение Вселенной | Скорости и расстояния для большого числа галактик | Выявляют общую картину расширения, а не разлёт из особого центра |
Таблица показывает, как наблюдения переходят в выводы: сначала астрономы получают изображения или спектры, затем определяют физические величины. Для расстояния по закону Хаббла нужны и скорость удаления, и значение H₀. При оценке результата следует помнить, что метод надёжнее для далёких галактик.
Условие. Объяснить, почему туманное пятно на небе, оказавшееся галактикой Андромеды, нельзя считать газовым облаком внутри Млечного Пути. Решение опирается не только на то, как пятно выглядит, но и на измеренное расстояние. Внешний вид сам по себе не показывает, где именно находится объект.
Сначала определяют расстояние до Андромеды по наблюдаемым объектам с известными свойствами, например переменным звёздам. Это даёт возможность сравнить её удалённость с размерами Млечного Пути. Одного снимка для такого сравнения недостаточно.
Полученное расстояние оказывается намного больше размеров нашей Галактики. Следовательно, Андромеда не может быть облаком, расположенным внутри Млечного Пути. Она находится за его пределами.
Если объект лежит далеко за пределами Млечного Пути и представляет собой систему звёзд, его считают отдельной галактикой. Именно совокупность расстояния и наблюдений за объектом позволяет сделать вывод о его природе. Туманное пятно оказывается не просто газовым облаком, а другой галактикой.
Ответ: Андромеда находится далеко за пределами Млечного Пути, поэтому она является самостоятельной галактикой, а не газовым облаком внутри нашей Галактики.
Условие. Расстояние до галактики равно 20 Мпк, постоянная Хаббла H₀ = 70 км/(с·Мпк). Найти скорость удаления. Здесь единицы расстояния в условии и знаменателе H₀ совпадают, поэтому дополнительный перевод мегапарсеков не требуется.
Записываем закон Хаббла: v = H₀r. Он связывает расстояние и скорость удаления для далёких галактик. Нужно подставить заданные величины в согласованных единицах.
Подставляем значения: v = 70 км/(с·Мпк) · 20 Мпк. Мегапарсеки сокращаются, так как Мпк стоит и в числителе расстояния, и в знаменателе единицы H₀. Остаются единицы км/с.
Вычисляем: 70 · 20 = 1400. Полученная скорость относится к удалению галактики, а не к расстоянию до неё. Закон применим как приближение для достаточно далёкого объекта.
Ответ: скорость удаления галактики приблизительно равна 1400 км/с.
Условие. Скорость удаления далёкой галактики составляет 14 000 км/с, H₀ = 70 км/(с·Мпк). Требуется оценить расстояние и объяснить, почему результат приближённый. В этом случае неизвестно r, поэтому закон Хаббла нужно преобразовать.
Начинаем с формулы v = H₀r и выражаем расстояние: r = v/H₀. Так мы не смешиваем скорость и расстояние: они связаны через постоянную Хаббла, но являются разными величинами. Подстановка допустима, если скорость соответствует преимущественно космическому расширению.
Подставляем данные: r = 14 000 км/с ÷ 70 км/(с·Мпк). Деление сокращает километры в секунду, а в результате остаются мегапарсеки. Численно получаем 14 000 ÷ 70 = 200.
Значит, по закону Хаббла расстояние оценивается в 200 Мпк. Это не абсолютно точное измерение: на скорость могут влиять собственное движение галактики и точность определения H₀. Кроме того, закон используют как приближение, а не как универсальную формулу для любых объектов.
Ответ: приблизительное расстояние равно 200 Мпк; оценка зависит от точности измерений и влияния собственных движений галактики.
Ошибка: считать, что красное смещение само по себе доказывает удаление источника. Сдвиг линий показывает увеличение длины волны, но его причину устанавливают по физическим условиям и спектру. Для далёких галактик удаление связывают с доплеровским эффектом и расширением Вселенной. Проверка: сформулируйте, что измерено непосредственно — сдвиг спектра, а что из него выводят — движение.
Ошибка: путать скорость удаления с расстоянием. Их значения нельзя заменять друг другом: это разные величины с разными единицами. Закон Хаббла связывает их через H₀, поэтому при переходе от одной величины к другой нужно умножать или делить на постоянную. Проверка: подставьте единицы в формулу и убедитесь, что в ответе получились нужные единицы.
Ошибка: считать Млечный Путь центром, от которого разлетаются все галактики. Такой вывод возникает, если представить расширение как взрыв из одной точки в окружающее пространство. На больших масштабах увеличиваются расстояния между галактиками, и наблюдатель в другой галактике увидел бы сходную общую картину. Проверка: спросите себя, предполагает ли объяснение выделенный центр Вселенной; закон Хаббла такого центра не задаёт.
Ошибка: без оговорок применять закон Хаббла к близким галактикам. Их собственные скорости из-за гравитационного взаимодействия могут заметно изменить наблюдаемое движение. Поэтому близкая галактика иногда приближается, а не удаляется, несмотря на расширение Вселенной в целом. Проверка: выясните, достаточно ли объект далёк и не сравнима ли его собственная скорость со скоростью расширения.
Для понимания других галактик нужны знания о строении Млечного Пути и о звёздах. Они помогают сравнить масштаб отдельной звёздной системы с масштабом галактики. Представление об астрономических расстояниях позволяет понять, почему Андромеда не может быть частью нашей Галактики.
Спектральный анализ помогает определить, какие длины волн приходят от галактики, а доплеровский эффект объясняет изменение длины волны при движении источника. На этой основе находят красное смещение и оценивают скорость удаления. Без этих понятий невозможно перейти от наблюдения спектра к закону Хаббла.
Закон Хаббла связывает наблюдения галактик с изучением расширения и эволюции Вселенной. Оценки расстояний по скорости удаления нужны в космологии — науке о свойствах и развитии Вселенной. При этом для близких объектов полезно сравнивать результат с другими способами измерения расстояний.
Как поняли, что Андромеда — отдельная галактика, а не часть Млечного Пути?
Наблюдения переменных звёзд в Андромеде позволили оценить расстояние до неё. Оно оказалось намного больше размеров Млечного Пути, поэтому объект не мог быть облаком внутри нашей Галактики. Андромеда — самостоятельная звёздная система за её пределами.
Что именно показывает красное смещение в спектре галактики?
Оно показывает, что спектральные линии приходят с большей длиной волны, чем соответствующие линии в лабораторном спектре. Для далёких галактик это обычно свидетельствует об удалении, а величина смещения помогает оценить скорость удаления. Вывод делают с учётом доплеровского эффекта и расширения Вселенной.
Почему далёкие галактики обычно удаляются быстрее близких?
При расширении Вселенной расстояние между далёкими галактиками увеличивается. Чем больше расстояние до галактики, тем больший участок расширяющегося пространства находится между ней и нами. Поэтому для достаточно далёких объектов скорость удаления приблизительно пропорциональна расстоянию.
Как по скорости удаления галактики находят расстояние до неё?
Для далёкой галактики используют закон Хаббла: v = H₀r. Расстояние находят, разделив скорость удаления на постоянную Хаббла: r = v/H₀. Результат приблизителен, особенно если собственное движение галактики заметно.
Если Вселенная расширяется, расширяются ли вместе с ней галактики?
Нет, гравитация удерживает звёзды и другие объекты внутри галактик, а силы в Солнечной системе связывают планеты с Солнцем. Расширение проявляется на больших расстояниях между не связанными гравитацией системами. Поэтому Млечный Путь и Солнечная система не расширяются вслед за Вселенной.
2. Другие галактики
