"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Расширение Вселенной — увеличение расстояний между далёкими галактиками, которое обнаруживают по красному смещению их спектральных линий. Наблюдения показали: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Эту зависимость описывает закон Хаббла v = H₀r. Он помогает оценивать расстояния и скорости, но не означает разлёт галактик из единого центра: изменяется само пространство.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Красное смещение — увеличение длины волны света от удаляющегося источника. Его измеряют по спектральным линиям: сравнивают наблюдаемое положение линии с известной длиной волны в лабораторном спектре. Смещение линий к красному концу спектра показывает, что источник удаляется, и позволяет оценить его скорость.
Скорость удаления галактики — скорость, с которой увеличивается расстояние между галактикой и наблюдателем из-за расширения Вселенной. Обозначим её буквой v и будем измерять обычно в километрах в секунду. Это не обязательно скорость галактики сквозь пространство: главным образом меняется само пространство между объектами.
Закон Хаббла устанавливает зависимость скорости удаления далёкой галактики от расстояния до неё: v = H₀r. Чем больше расстояние r, тем больше средняя скорость удаления v. Закон нужен, чтобы по одной измеренной величине приблизительно находить другую.
Постоянная Хаббла H₀ — коэффициент пропорциональности в законе Хаббла. Она показывает, насколько увеличивается скорость удаления при добавлении к расстоянию 1 Мпк; её единицы — км/(с·Мпк). Значение H₀ ≈ 70 км/(с·Мпк) используют как удобную оценку.
Атомы и ионы излучают свет с определёнными спектральными линиями, поэтому по их положению можно распознать состав галактики. Если линия наблюдается при большей длине волны, чем в лаборатории, говорят о красном смещении. Для небольших скоростей это связано с эффектом Доплера: источник удаляется, и каждый следующий гребень световой волны приходит немного позже. У далёких галактик красное смещение обнаруживается систематически и указывает на увеличение расстояний.
Причина красного смещения далёких галактик связана не только с их обычным движением через пространство. Свет распространяется, пока пространство между галактикой и наблюдателем расширяется, поэтому длина волны растягивается вместе с ним. При этом не нужно считать, что все галактики стартовали из одной точки внутри уже существующего пространства. Подобно точкам на растягивающейся поверхности, они увеличивают взаимные расстояния, не выбирая общего центра на самой поверхности.
Хаббл сопоставил оценки расстояний до галактик с величиной их красного смещения, по которой находили скорости удаления. На графике зависимость оказалась примерно прямой: более далёким галактикам соответствовали большие скорости. Коэффициент наклона этой зависимости назвали постоянной Хаббла. Так наблюдательный результат превратился в закон v = H₀r.
Закон позволяет вычислять скорость по расстоянию: v = H₀r, или расстояние по скорости: r = v/H₀. Однако это не абсолютно точное правило для каждой галактики, потому что у неё есть собственная скорость, не связанная с общим расширением, а измерения имеют погрешности. Для сравнительно близких галактик вклад таких движений заметнее, но при достаточно больших расстояниях общее расширение обычно проявляется яснее. На очень больших масштабах требуются более полные космологические модели.
Если мысленно обратить расширение вспять, расстояния между галактиками в прошлом окажутся меньше. Это согласуется с представлением о горячей плотной ранней Вселенной и позволяет изучать её возраст и эволюцию. Но обратное движение не означает, что существует точка, из которой галактики разлетаются в окружающее пространство. В расширяющейся Вселенной любой наблюдатель видит удаление далёких галактик, поэтому центр не выделяется.
| Величина | Обозначение | Физический смысл | Единицы |
|---|---|---|---|
| Расстояние до галактики | r | Удалённость галактики от наблюдателя | Мпк |
| Скорость удаления галактики | v | Скорость увеличения расстояния из-за расширения Вселенной | км/с |
| Постоянная Хаббла | H₀ | Скорость удаления, приходящаяся на 1 Мпк расстояния | км/(с·Мпк) |
| Связь величин по закону Хаббла | v = H₀r | Скорость пропорциональна расстоянию | км/с |
| Как определить неизвестную величину | r = v/H₀; H₀ = v/r | Формулу преобразуют относительно искомой величины | Зависят от искомой величины |
Сначала определите, какая величина неизвестна, затем выберите соответствующую форму закона Хаббла. Все расстояния удобно подставлять в мегапарсеках, если H₀ задана в км/(с·Мпк). После вычисления проверьте, что единицы сократились правильно.
График показывает прямую зависимость: при увеличении r в два раза скорость v также увеличивается в два раза. Например, для 50 Мпк при H₀ = 70 км/(с·Мпк) получается 3500 км/с. Реальные данные могут немного отклоняться от прямой из-за наблюдательных ошибок и собственных движений галактик.
Для галактики на расстоянии 10 Мпк скорость удаления равна 700 км/с. Требуется найти постоянную Хаббла в соответствующих единицах. Используем связь v = H₀r, потому что известны скорость и расстояние.
Ответ: H₀ = 70 км/(с·Мпк). Единица показывает, насколько возрастает скорость удаления при увеличении расстояния на один мегапарсек.
Постоянная Хаббла равна 70 км/(с·Мпк), расстояние до галактики составляет 50 Мпк. Нужно оценить скорость удаления. Так как расстояние уже выражено в мегапарсеках, единицы согласованы.
Ответ: скорость удаления примерно равна 3500 км/с. Чем дальше галактика при прочих равных условиях, тем большее значение даёт закон Хаббла.
По красному смещению скорость удаления оценили как 2100 км/с, а H₀ = 70 км/(с·Мпк). Найдём расстояние, используя r = v/H₀. Результат будет приближённым, поскольку линейный закон не учитывает все особенности движения и расширения Вселенной.
Ответ: расстояние примерно равно 30 Мпк. Это оценка: на неё влияют собственная скорость галактики, погрешность красного смещения и приближённость постоянной H₀.
Ошибка — считать, что все галактики разлетаются из одной точки пространства. Так думают из-за привычной картины взрыва, но при расширении меняются расстояния между объектами и нет выделенного центра. Проверка: мысленно перенесите наблюдателя в другую галактику — он тоже увидит удаление далёких объектов.
Красное смещение иногда путают с обычным покраснением внешнего вида галактики. Речь идёт не о цвете изображения, а о сдвиге спектральных линий к большим длинам волн. Проверьте себя: сравниваются конкретные линии спектра с их лабораторными положениями.
Нельзя считать постоянную Хаббла скоростью одной галактики. H₀ — коэффициент, связывающий скорость удаления с расстоянием, поэтому его единицы содержат и скорость, и расстояние. Если меняется r, меняется и v, а H₀ в данной модели остаётся коэффициентом.
Ещё одна ошибка — подставлять величины в несовместимых единицах или забывать пропорциональность. Например, расстояние в километрах нельзя напрямую сочетать с H₀ в км/(с·Мпк) без перевода. Проверяйте формулу, единицы и здравый смысл: при увеличении расстояния скорость должна возрастать.
Для понимания темы нужны знания о спектре и спектральных линиях, а также умение определять изменение длины волны. Расчёты опираются на пропорциональные зависимости, преобразование формул и проверку единиц. Красное смещение связано с эффектом Доплера, а закон Хаббла используется при изучении космологических моделей, возраста и эволюции Вселенной.
Как по спектру понять, что галактика удаляется?
В спектре галактики находят линии, соответствующие известным химическим элементам, и сравнивают их положения с лабораторными. Если линии смещены к большим длинам волн, наблюдается красное смещение, которое указывает на удаление источника.
Почему далёкие галактики удаляются быстрее близких?
При расширении пространства расстояние между удалёнными объектами увеличивается тем быстрее, чем больше участков расширяющегося пространства находится между ними. Поэтому наблюдаемая скорость удаления примерно пропорциональна расстоянию до галактики.
Что показывает постоянная Хаббла?
Постоянная Хаббла H₀ показывает, насколько возрастает скорость удаления при увеличении расстояния на 1 Мпк. В распространённой оценке H₀ ≈ 70 км/(с·Мпк), но её значение уточняется по наблюдениям.
Есть ли у расширяющейся Вселенной центр?
Наблюдаемое расширение само по себе не указывает на особую центральную точку. Расширяется пространство во всех направлениях, поэтому наблюдатель в любой галактике увидел бы удаление далёких галактик.
Можно ли по закону Хаббла точно определить расстояние до любой галактики?
Нет, закон Хаббла даёт оценку, особенно надёжную для сравнительно близких галактик. На результат влияют собственные движения галактик, неточность измерения красного смещения и то, что при больших расстояниях простая линейная модель уже недостаточна.
3. Расширение Вселенной
