"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Расширение Вселенной — увеличение расстояний между далёкими галактиками, которые не удерживаются вместе гравитацией. Его обнаруживают по красному смещению: линии в спектре света галактики сдвинуты к большим длинам волн, что указывает на удаление. Закон Хаббла связывает скорость удаления с расстоянием: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Эта закономерность помогает описывать расширение и оценивать его характерный масштаб времени.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Красное смещение — увеличение длины волны света, приходящего от далёкой галактики, относительно ожидаемого положения спектральных линий. Иными словами, знакомые линии в спектре сдвигаются к красному краю. По величине сдвига судят о том, что расстояние до галактики растёт, а значит, красное смещение служит наблюдаемым признаком расширения.
Расширение Вселенной — увеличение со временем расстояний между далёкими галактиками, которые не составляют единую гравитационно связанную систему. Это не означает, что каждая галактика обязана увеличиваться в размерах. Понятие нужно, чтобы описать общую картину изменения расстояний в космосе, а не движение отдельных звёзд внутри галактики.
Закон Хаббла устанавливает, что скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до неё: чем дальше галактика, тем больше скорость. Формула закона — v = H₀r, где v — скорость удаления, а r — расстояние. Она позволяет оценивать одну из этих величин, если известны другая и постоянная Хаббла.
Постоянная Хаббла H₀ — коэффициент пропорциональности в законе Хаббла. Для неё часто используют единицы км/(с·Мпк), то есть километры в секунду на мегапарсек. Постоянная задаёт, насколько меняется скорость удаления при изменении расстояния, поэтому без неё нельзя перейти от расстояния к скорости или обратно.
Свет галактики можно разложить в спектр и увидеть в нём линии, связанные с определёнными химическими элементами. Для каждого элемента известны длины волн, на которых линии возникают в лабораторных условиях. Если линии в свете галактики оказались смещены к большим длинам волн, наблюдается красное смещение. Сравнение спектра с эталоном позволяет обнаружить сдвиг и сделать вывод об удалении далёкой галактики.
Чтобы установить связь между удалением и расстоянием, астрономам требовалось оценить обе величины для многих галактик. Расстояния находили астрономическими методами, а скорости удаления определяли по смещению спектральных линий. Сопоставление наблюдений показало общую закономерность: у более далёких галактик скорость удаления обычно выше. Так возникла идея описывать эту зависимость простым законом, позднее названным законом Хаббла.
Физический смысл формулы v = H₀r состоит в прямой пропорциональности скорости удаления расстоянию. Если расстояние увеличить в несколько раз, скорость в рамках этой зависимости возрастёт во столько же раз. На графике скорости от расстояния это прямая линия, а её наклон задаётся H₀. Постоянная не является ни скоростью отдельной галактики, ни расстоянием до неё: это коэффициент, связывающий две разные величины.
Расширение не следует представлять как разлёт галактик из одной особой точки в окружающую пустоту. В такой картине пришлось бы выделить место, откуда всё началось и относительно которого остальные точки разлетаются. Наблюдаемая закономерность описывает рост расстояний между далёкими объектами, но не задаёт пространственного центра расширения. Поэтому наблюдатель в другой далёкой галактике также обнаружил бы удаление многих окружающих галактик.
Закон Хаббла свидетельствует о расширении потому, что показывает систематическую связь: чем дальше галактика, тем быстрее растёт расстояние до неё. Для близких объектов на это могут влиять местные гравитационные движения, но для далёких прослеживается общая картина. Из закона можно получить характерную оценку времени расширения, разделив расстояние на скорость: при v = H₀r отношение r/v равно 1/H₀. Это оценка масштаба времени, а не точное утверждение о возрасте Вселенной.
| Величина или явление | Что означает | Связь с расширением Вселенной |
|---|---|---|
| Красное смещение | Сдвиг линий спектра к большим длинам волн | Указывает на удаление далёкой галактики |
| Расстояние до галактики | Удалённость галактики от наблюдателя | Входит в закон Хаббла; при большем расстоянии скорость удаления выше |
| Скорость удаления галактики | Скорость увеличения расстояния до галактики | Пропорциональна расстоянию до неё |
| Постоянная Хаббла | Коэффициент пропорциональности, обычно в км/(с·Мпк) | Задаёт наклон графика скорости от расстояния |
| Закон Хаббла | Зависимость v = H₀r | Количественно описывает связь скорости удаления с расстоянием |
Сначала определите, какая величина известна, а какую требуется найти, затем выберите соответствующую запись закона Хаббла. Проверьте единицы: при расстоянии в Мпк и H₀ в км/(с·Мпк) скорость получится в км/с.
Условие. Галактика находится на расстоянии 10 Мпк, а постоянная Хаббла равна 70 км/(с·Мпк). Требуется оценить скорость её удаления. Поскольку известны расстояние и коэффициент пропорциональности, скорость можно найти прямой подстановкой в закон Хаббла.
Ответ: скорость удаления галактики составляет примерно 700 км/с. Сокращение единиц сразу показывает, что подстановка выполнена согласованно.
Условие. Скорость удаления галактики составляет 2100 км/с, постоянная Хаббла — 70 км/(с·Мпк). Нужно оценить расстояние до галактики. Не следует подставлять скорость вместо расстояния в исходную формулу: сначала выразим неизвестное расстояние.
Ответ: расстояние составляет примерно 30 Мпк. Километры в секунду сокращаются, а мегапарсек оказывается в числителе, поэтому единица результата верна.
Условие. Расстояния до двух галактик равны 20 и 80 Мпк, H₀ = 70 км/(с·Мпк). Требуется сравнить скорости их удаления. Так как коэффициент один и тот же, можно вычислить обе скорости, а затем сопоставить результаты.
Ответ: первая галактика удаляется со скоростью около 1400 км/с, вторая — около 5600 км/с. Вторая скорость в четыре раза выше, потому что скорость удаления прямо пропорциональна расстоянию.
Ошибка: считать, что красное смещение означает только движение галактики сквозь пространство. Так думают, потому что знакомый эффект сдвига волн часто связывают лишь с движущимся источником. Для далёких галактик необходимо учитывать расширение самого пространства. Проверьте себя: объяснение должно связывать спектральный сдвиг с увеличением расстояния, а не только с локальным движением объекта.
Ошибка: путать скорость удаления с расстоянием. Скорость показывает, насколько быстро меняется расстояние, а расстояние — насколько далеко находится объект; это разные величины с разными единицами. Их связывает коэффициент H₀ в формуле v = H₀r. Перед вычислением подпишите известные величины и единицы, а затем проверьте, что ответ получен для нужной величины.
Ошибка: представлять расширение как разлёт галактик из центра Вселенной. Такой образ легко возникает из повседневного опыта взрыва, когда обломки разлетаются от места взрыва. Но закон Хаббла говорит об увеличении расстояний и не называет особую точку, из которой галактики должны разлетаться. Для проверки спросите себя: следует ли центр из формулы v = H₀r? Нет, в ней такого места нет.
Ошибка: подставлять мегапарсеки в формулу с постоянной Хаббла, заданной в несовместимых единицах. Численный ответ тогда может выглядеть правдоподобным, хотя единицы не сокращаются правильно. Например, при H₀ в км/(с·Мпк) расстояние в Мпк даёт скорость в км/с. Запишите единицы рядом с числами и убедитесь, что они сокращаются до единиц искомой величины.
Для понимания красного смещения нужны знания о спектре света: важно уметь сравнивать положение спектральных линий и длину волны. В задачах по закону Хаббла пригодятся формулы скорости, расстояния и пропорциональности, а также умение проверять и переводить единицы. Тема связана с эволюцией Вселенной: расширение помогает обсуждать её ранние этапы и идею Большого взрыва. При этом сам закон Хаббла описывает наблюдаемую связь скорости удаления с расстоянием.
Как по свету галактики узнают, что она удаляется?
В спектре галактики находят линии, соответствующие известным химическим элементам, и сравнивают их положение с лабораторными значениями. Если линии сдвинуты к большим длинам волн, наблюдается красное смещение. Оно указывает, что расстояние до далёкой галактики увеличивается.
Почему далёкие галактики удаляются быстрее близких?
По закону Хаббла скорость удаления пропорциональна расстоянию: v = H₀r. При одном и том же значении постоянной Хаббла более далёкой галактике соответствует большая скорость. Это закономерность расширения пространства, а не результат того, что галактики разгоняются из общего центра.
Что показывает постоянная Хаббла?
Она показывает, насколько увеличивается скорость удаления галактики при увеличении расстояния на единицу. В записи v = H₀r постоянная Хаббла H₀ — коэффициент пропорциональности. Её часто выражают в километрах в секунду на мегапарсек.
Есть ли у расширяющейся Вселенной центр?
Наблюдаемое расширение не означает, что галактики разлетаются из одной выделенной точки в пустое пространство. Для далёких объектов увеличивается расстояние между ними по мере расширения пространства. Поэтому закон Хаббла не указывает на центр Вселенной.
Можно ли по закону Хаббла оценить расстояние до галактики?
Да, если известны скорость удаления и постоянная Хаббла, расстояние находят по формуле r = v/H₀. Нужно проверить, чтобы единицы величин были согласованы. Например, при скорости в км/с и H₀ в км/(с·Мпк) расстояние получится в мегапарсеках.
3. Расширение Вселенной
