"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Разбегание галактик — увеличение расстояний между далёкими галактиками из-за расширения Вселенной. Его обнаруживают по красному смещению спектральных линий: чем дальше галактика, тем больше обычно её скорость удаления. Закон Хаббла связывает эти величины формулой v = H₀r и позволяет оценивать скорости и расстояния. Он описывает движение на больших масштабах, а не расширение Солнечной системы или других связанных гравитацией объектов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Разбегание галактик — увеличение расстояний между далёкими галактиками вследствие расширения Вселенной. Это не обычный разлёт вещества из одной точки: меняются расстояния между удалёнными областями пространства. Понятие помогает описывать движение галактик на масштабах, где отдельные системы уже не удерживают их рядом.
Красное смещение — увеличение длины волны излучения удалённого объекта по сравнению с длиной волны, испущенной источником. В спектре галактики сравнивают наблюдаемое положение линии с её известным лабораторным положением. По величине смещения судят о происходящем с излучением и оценивают удаление объекта.
Закон Хаббла — зависимость скорости удаления галактики от расстояния до неё: при небольших красных смещениях v = H₀r. Здесь r — расстояние, а v — скорость удаления. Эта связь позволяет по одному из значений оценить другое, если известна постоянная Хаббла.
Постоянная Хаббла H₀ — коэффициент пропорциональности между скоростью удаления галактики и расстоянием до неё. Её обычно выражают в километрах в секунду на мегапарсек: км/(с·Мпк). Значение H₀ показывает, насколько возрастает скорость удаления при увеличении расстояния на один мегапарсек.
У каждого химического элемента есть характерные спектральные линии — узкие участки спектра, соответствующие определённым длинам волн. Сначала учёные находят линии в свете галактики и сопоставляют их с лабораторными значениями для тех же элементов. Если наблюдаемая длина волны больше исходной, линия смещена к красному краю спектра; величину сдвига характеризует z = (λнабл − λист)/λист. Для небольшого z скорость удаления оценивают по формуле v ≈ cz, где c — скорость света, однако это приближение не подходит без оговорок для больших красных смещений.
Расширение Вселенной означает, что расстояния между очень далёкими, не связанными друг с другом объектами со временем увеличиваются. Поэтому свет, пока он летит к нам, распространяется через расширяющееся пространство, и его длина волны растёт. Это не похоже на взрыв, в котором галактики разлетаются из центра в пустое пространство: само расширение происходит повсюду. В среднем наблюдатель в любой такой галактике увидел бы удаление других далёких галактик, поэтому выделенного центра разбегания нет.
Астрономы сопоставляли измеренные скорости удаления с расстояниями до галактик. Оказалось, что для достаточно далёких объектов при небольших красных смещениях большая дистанция обычно соответствует большей скорости удаления. Это и выражает закон Хаббла: v = H₀r. Пропорциональность не означает, что все галактики движутся одинаково: на движение влияют и местные гравитационные взаимодействия, особенно на небольших расстояниях.
Чтобы найти скорость, расстояние умножают на H₀; чтобы найти расстояние, скорость делят на H₀. Например, если H₀ задана в км/(с·Мпк), а r — в Мпк, мегапарсеки сокращаются, и остаются км/с. Поэтому отдельно переводить расстояние в километры в такой задаче не нужно. Значение H₀ измеряют астрономическими методами, и при вычислениях важно использовать именно те единицы, которые указаны в условии.
Закон Хаббла применяют к крупномасштабному движению далёких галактик, а не ко всем расстояниям и объектам без исключения. В гравитационно связанных системах притяжение может удерживать тела вместе или даже сближать их, преодолевая общий эффект расширения. Солнечная система связана гравитацией Солнца, а звёзды и планеты не разлетаются из-за космологического расширения. Поэтому формулу нельзя использовать для определения изменения размеров таких систем.
| Величина или явление | Обозначение и смысл | Связь или единицы |
|---|---|---|
| Расстояние до галактики | r — удалённость галактики от наблюдателя | Обычно измеряется в Мпк |
| Скорость удаления галактики | v — скорость, с которой растёт расстояние на больших масштабах | Обычно выражается в км/с |
| Красное смещение | z — относительное увеличение длины волны | z = (λнабл − λист)/λист |
| Постоянная Хаббла | H₀ — коэффициент пропорциональности | км/(с·Мпк) |
| Закон Хаббла | Связь скорости удаления и расстояния | v = H₀r |
Сначала определите, какая величина известна, а какую требуется найти, затем выберите закон Хаббла или формулу красного смещения. Проверьте единицы: при расстоянии в Мпк постоянная должна быть задана в км/(с·Мпк), чтобы скорость получилась в км/с.
Условие. Галактика находится на расстоянии 100 Мпк, H₀ = 70 км/(с·Мпк). Требуется найти скорость её удаления. Расстояние уже выражено в единицах, подходящих для заданной постоянной Хаббла.
Ответ: скорость удаления галактики равна 7000 км/с. Проверка единиц показывает, что результат действительно получен в километрах в секунду.
Условие. Скорость удаления галактики равна 14 000 км/с, а H₀ = 70 км/(с·Мпк). Нужно оценить расстояние. В этом случае неизвестно r, поэтому преобразуем закон Хаббла.
Ответ: расстояние составляет примерно 200 Мпк. При делении скорость на постоянную единицы км/с сокращаются, а мегапарсек остаётся в числителе.
Условие. Линия с лабораторной длиной волны 500 нм наблюдается на длине волны 510 нм. Найдём приближённые скорость удаления и расстояние при H₀ = 70 км/(с·Мпк). Поскольку смещение небольшое, допустима оценка v ≈ cz.
Ответ: скорость удаления примерно 6000 км/с, расстояние — около 86 Мпк. Оба результата приближённые: использована оценка v ≈ cz и округлённое значение скорости света.
Красное смещение иногда считают самостоятельным доказательством удаления источника. Но длина волны может меняться по разным причинам, поэтому вывод делают с учётом спектра, движения источника и космологического расширения. Проверьте себя: сравните наблюдаемую линию с лабораторной и не подменяйте измерение одной интерпретацией.
В формуле z = (λнабл − λист)/λист можно перепутать наблюдаемую и исходную длины волн. Тогда знак или величина смещения окажутся неверными, хотя числа могут выглядеть правдоподобно. Подставляйте в числитель сначала наблюдаемую длину волны, а знаменателем берите исходную; при красном смещении λнабл больше λист.
Ещё одна ошибка — умножить расстояние в мегапарсеках на H₀, не сверив единицы. Если H₀ дана в км/(с·Мпк), то расстояние нужно подставлять в Мпк: мегапарсеки сократятся, оставив км/с. Проверка размерности перед вычислением помогает заметить неверный перевод единиц.
Разбегание иногда представляют как разлёт галактик из единственного центра и распространяют закон Хаббла на Солнечную систему. На больших масштабах увеличиваются расстояния между далёкими объектами, а локальная гравитация может удерживать системы связанными. Проверьте смысл ответа: формула описывает крупномасштабное движение, а не движение от общей точки и не увеличение размеров планетных систем.
Для понимания темы нужны знания о длине волны и спектральных линиях: именно по линиям сравнивают излучение галактики с лабораторным образцом. Эффект Доплера помогает связать изменение длины волны с движением источника, а перевод единиц необходим при расчётах по закону Хаббла. Тема расширяет представления об эволюции Вселенной и показывает, как по наблюдаемому свету оценивают расстояния до далёких галактик.
Почему удалённые галактики выглядят краснее?
Линии в спектре далёкой галактики смещаются к большим длинам волн по сравнению с теми же линиями, измеренными в лаборатории. Такое красное смещение связано с расширением пространства между галактиками и позволяет оценить их удаление.
Что именно расширяется при разбегании галактик?
На больших космических масштабах увеличивается расстояние между областями пространства, в которых находятся далёкие галактики. Сами галактики не обязаны растягиваться вместе с пространством: их удерживают внутренние силы и гравитация.
Есть ли у разбегания галактик центр?
Нет, наблюдаемое расширение не означает, что все галактики летят от одной точки в обычном пространстве. Для любого наблюдателя далёкие галактики в среднем удаляются, потому что увеличиваются расстояния между ними.
Как по расстоянию до галактики найти скорость её удаления?
Для достаточно далёких галактик при небольших красных смещениях применяют закон Хаббла: v = H₀r. Расстояние умножают на постоянную Хаббла, следя за тем, чтобы единицы согласовывались.
Расширяется ли из-за этого Солнечная система?
Нет, закон Хаббла описывает крупномасштабное движение далёких галактик, а не гравитационно связанные системы. Солнечную систему удерживает гравитация Солнца, поэтому её размеры не растут из-за космологического расширения.
1. Разбегание галактик
