§ 89. Вселенная

Определения и обозначения

Вселенная — весь окружающий мир, включающий пространство, время, материю и энергию. Наблюдаемая Вселенная — только область, доступная нашим наблюдениям благодаря свету. Это различие нужно, чтобы не принимать видимую часть за всё существующее.

Галактика — гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмной материи. Пример такой системы — Млечный Путь, в котором находится Солнечная система. Понятие помогает описывать крупные космические объекты как единую структуру.

Красное смещение — увеличение длины волны излучения удалённого объекта. Его определяют, сравнивая наблюдаемое положение спектральной линии с известной лабораторной длиной волны. Если λ₀ — исходная длина волны, а λ — наблюдаемая, то z = (λ − λ₀)/λ₀.

Постоянная Хаббла H₀ — коэффициент в законе Хаббла, связывающем скорость удаления галактики с расстоянием до неё. В записи v = H₀r она показывает, насколько возрастает скорость при увеличении расстояния. Её значение находят по астрономическим наблюдениям.

Как это устроено

Строение Вселенной имеет иерархию: звёзды входят в галактики, галактики объединяются в скопления, а скопления образуют ещё более крупные структуры. Такое объединение возникает из-за гравитации, которая связывает вещество и препятствует его случайному разлёту внутри системы. При этом наблюдаемая часть Вселенной — лишь область, откуда до нас успел прийти свет, поэтому её нельзя автоматически считать всей Вселенной.

Свет далёкой галактики содержит спектральные линии, связанные с атомами и ионами в её звёздах и газе. Если известная линия вместо λ₀ наблюдается на большей длине волны λ, вычисляют z = (λ − λ₀)/λ₀. Смещение к красному краю спектра показывает, что излучение растянулось, а для далёких галактик это связывают прежде всего с расширением пространства.

Наблюдения разных галактик показали среднюю зависимость скорости удаления от расстояния: v = H₀r. Она означает, что при увеличении r в несколько раз во столько же раз возрастает оценка v, если условия применимости закона сохраняются. Постоянная H₀ не получается из одной фотографии: её определяют, сопоставляя измеренные расстояния и скорости для большого числа объектов.

Расширение не следует представлять как разлёт галактик из единого центра в заранее существующую пустоту. Увеличиваются сами расстояния между далёкими системами, поэтому наблюдатель в любой типичной галактике увидит похожую общую картину. Если мысленно обратить расширение назад, плотность и температура вещества возрастут, что приводит к модели Большого взрыва; это описание ранней эволюции Вселенной, а не взрыва в определённой точке.

Основные характеристики объектов и явлений во Вселенной

В таблице сопоставлены объект или явление, наблюдаемый признак и вывод, который из него делают. Последний столбец содержит формулу или характерную связь. Используйте таблицу как цепочку рассуждения: от наблюдения к физическому выводу.

Разбор задач

1. Расчёт красного смещения

Спектральная линия источника сместилась с 500 нм до 510 нм. Нужно найти относительное красное смещение. Используем исходную длину волны как лабораторное значение.

1. Записываем формулу: z = (λ − λ₀)/λ₀.
2. Подставляем данные: z = (510 − 500)/500 = 10/500 = 0,02.
3. При необходимости переводим в проценты: 0,02 · 100% = 2%.

Ответ: z = 0,02, или 2%.

2. Скорость удаления по закону Хаббла

Галактика находится на расстоянии 20 Мпк, а H₀ = 70 км/(с·Мпк). Требуется оценить скорость её удаления. Единица расстояния уже совпадает с единицей в знаменателе H₀.

1. Применяем закон: v = H₀r.
2. Подставляем значения: v = 70 · 20 = 1400 км/с.
3. Мпк сокращается, поэтому остаются единицы скорости.

Ответ: v ≈ 1400 км/с.

3. Оценка скорости и расстояния по красному смещению

Пусть измерено небольшое красное смещение z, а постоянная Хаббла равна H₀. Нужно сначала найти скорость, затем расстояние. Численный ответ получают после подстановки конкретного значения z.

1. Для небольших скоростей используем z ≈ v/c, откуда v ≈ cz.
2. Подставляем скорость в закон Хаббла: r ≈ v/H₀ = cz/H₀.
3. Проверяем применимость: приближение допустимо при z, значительно меньшем единицы; для очень далёких галактик нужны релятивистские космологические расчёты.

Ответ: v ≈ cz, r ≈ cz/H₀ в области малых красных смещений.

Типичные ошибки

Большой взрыв считают взрывом в одной точке. Так думают из-за обычного смысла слова «взрыв», но модель описывает расширение самого пространства. Проверка: спросите себя, где было бы это пространство до взрыва.

Красное смещение связывают только с движением источника. Для далёких галактик основную роль играет расширение Вселенной, а не простой полёт через неподвижное пространство. Проверка: учитывайте, насколько велико расстояние до объекта.

Галактики представляют разлетающимися от общего центра. Это возникает при переносе привычной картины взрыва на космос, хотя расширение наблюдается во всех направлениях. Проверка: центр не должен находиться в особой точке пространства.

Расстояние подставляют без проверки единиц. Например, Мпк нельзя молча заменить километрами, если H₀ задан в км/(с·Мпк). Проверка: после подстановки расстояние должно сократиться с единицей в знаменателе H₀.

Связь с другими темами

Для понимания красного смещения нужны знания о спектре электромагнитного излучения, длине волны и эффекте Доплера. Они объясняют, как по положению линий получать сведения о движении и состоянии источника.

Понятия гравитации и движения небесных тел помогают понять, почему звёзды объединяются в галактики и почему существуют связанные системы. Без этих идей трудно объяснить иерархию космических структур.

Расширение Вселенной используется в космологии, при изучении эволюции звёзд и в наблюдательной астрономии. Эти темы связывают измерения света с историей развития космоса.

Что запомнить

• Галактики — крупные гравитационно связанные системы звёзд и межзвёздного вещества.
• Красное смещение спектра далёких галактик свидетельствует об их удалении.
• Для галактик на достаточно больших расстояниях выполняется закон Хаббла: v = H₀r.
• Расширяется пространство, а не происходит разлёт вещества из единой точки в пустоту.
• Модель Большого взрыва описывает раннюю горячую и плотную стадию эволюции Вселенной.
• Наблюдаемая Вселенная — область, откуда излучение успело дойти до наблюдателя.