§ 79. Представления об эволюции Вселенной

Определения и обозначения

Расширение Вселенной — увеличение со временем расстояний между далёкими галактиками. Это происходит не потому, что все они летят от одного центра через неподвижное пространство: меняется масштаб самого пространства. Такое представление помогает описывать наблюдаемое удаление галактик, не выделяя во Вселенной особую точку.

Красное смещение — сдвиг спектральных линий излучения галактики к красному концу спектра, то есть к большим длинам волн. При удалении источника волны растягиваются, поэтому линии оказываются в другом месте спектра. По такому сдвигу астрономы судят о движении далёких галактик.

Постоянная Хаббла H₀ — коэффициент пропорциональности в законе Хаббла, который связывает скорость удаления галактики с расстоянием до неё. В формуле v = H₀r расстояние умножают на этот коэффициент и получают скорость. Постоянная не равна скорости каждой галактики: скорость также зависит от расстояния.

Реликтовое излучение — дошедшее до нас излучение ранней горячей Вселенной, которое равномерно заполняет пространство. За время расширения оно остыло, но не исчезло. Его наблюдение помогает проверить, была ли ранняя Вселенная горячей и плотной.

Как это устроено

Свет далёких галактик раскладывают в спектр и сравнивают положение линий в нём с известным положением линий тех же химических элементов в лаборатории. У большинства наблюдаемых далёких галактик линии смещены к красному краю. Это означает, что длины волн излучения увеличились, как и ожидается при удалении источника. Так наблюдение спектров позволило заключить, что галактики в среднем удаляются от нас.

Сопоставляя расстояния до галактик с их скоростями, обнаружили закономерность: чем дальше галактика, тем больше скорость её удаления. Закон Хаббла записывают как v = H₀r, где v — скорость, r — расстояние, а H₀ — постоянная Хаббла. Например, при неизменном H₀ удвоение расстояния означает удвоение скорости по этой простой зависимости. Величина 1/H₀ имеет размерность времени и даёт характерный масштаб возраста Вселенной, но не точный возраст: темп расширения менялся, а значит, для точного расчёта нужна модель всей его истории.

Если расстояния между галактиками сейчас растут, то при мысленном движении назад во времени они становятся меньше. Вещество оказывается сосредоточено в меньшем объёме, поэтому его плотность была выше. Сжатие также означает, что раннее состояние было горячее нынешнего. Именно так наблюдаемое расширение связывает современную картину космоса с его прошлым.

Большим взрывом называют не разлёт вещества из точки в заранее существовавшее пустое пространство, а эволюцию самой Вселенной из раннего горячего и плотного состояния. У такого описания нет центра взрыва, от которого галактики разлетаются по готовому пространству. Расширяется пространство, а вместе с этим растут расстояния между далёкими галактиками. Модель описывает развитие Вселенной, а не взрыв в привычном бытовом смысле.

Горячая модель предсказывает, что излучение ранней Вселенной должно сохраниться, хотя расширение и охладит его. Наблюдаемое реликтовое излучение заполняет космос почти равномерно и соответствует такому остывшему фону. Его присутствие согласуется с представлением о горячем прошлом и служит независимым свидетельством эволюции Вселенной. Поэтому оно важно не только как наблюдаемый фон, но и как проверка модели.

Наблюдательные свидетельства эволюции Вселенной

Таблица связывает наблюдаемую величину с тем, что она позволяет заключить о Вселенной. Красное смещение и закон Хаббла говорят о расширении, а реликтовое излучение — о горячем прошлом. Вместе эти свидетельства поддерживают общую картину эволюции.

Разбор задач

Почему красное смещение указывает на удаление?

Условие. Объясните, почему красное смещение спектральных линий далёкой галактики считают свидетельством её удаления от наблюдателя. Для ответа достаточно связать изменение положения линий с движением источника. Нужно помнить, что красный край соответствует большим длинам волн.

1. Сравним наблюдаемый спектр с тем, каким были бы линии, если бы источник покоился относительно наблюдателя. У линий есть известные положения, поэтому можно определить направление их сдвига.
2. При удалении источника наблюдаемая длина волны увеличивается. Поэтому линии смещаются к красному краю спектра, что и наблюдается у далёкой галактики.

Ответ. Сдвиг линий к красному концу означает увеличение длины волны, характерное для удаляющегося источника. Поэтому красное смещение служит свидетельством удаления галактики от наблюдателя.

Скорость удаления галактики

Условие. Галактика находится на расстоянии r = 20 Мпк. Постоянная Хаббла равна H₀ = 70 км/(с·Мпк). Найдите скорость её удаления, используя закон Хаббла.

1. Запишем зависимость v = H₀r. Здесь Мпк в единице H₀ сокращается с Мпк в расстоянии, поэтому результат будет выражен в километрах в секунду.
2. Подставим данные: v = 70 км/(с·Мпк) · 20 Мпк = 1400 км/с. Проверка единиц показывает, что в ответе остались км/с, как и должно быть для скорости.

Ответ. Скорость удаления галактики равна 1400 км/с. Это значение получено по простой зависимости Хаббла и заданным округлённым данным.

Оценка возраста по постоянной Хаббла

Условие. Оцените характерный возраст Вселенной по значению H₀ = 70 км/(с·Мпк), используя приближение t ≈ 1/H₀. Ответ нужно выразить в годах и пояснить, почему он приблизительный.

1. Переведём мегапарсек в километры: 1 Мпк ≈ 3,09 · 10¹⁹ км. Тогда H₀ ≈ 70/(3,09 · 10¹⁹) с⁻¹ ≈ 2,27 · 10⁻¹⁸ с⁻¹.
2. Обратим значение: t ≈ 1/H₀ ≈ 4,41 · 10¹⁷ с. Используем 1 год ≈ 3,16 · 10⁷ с и получаем t ≈ 1,40 · 10¹⁰ лет, то есть около 14 млрд лет.

Ответ. Характерная оценка составляет примерно 14 млрд лет. Это не точное значение: расчёт предполагает простую оценку по нынешнему H₀ и не учитывает подробно, как менялась скорость расширения.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что галактики разлетаются из центра, расположенного в определённой точке пространства. Такую картину легко представить по аналогии с обычным взрывом, но расширение Вселенной означает увеличение расстояний повсюду. Проверьте себя: если в модели нет выделенного центра, то никакая галактика не должна быть точкой, из которой разлетаются остальные.

Ошибка: понимать Большой взрыв как обычный взрыв в уже существовавшем пустом пространстве. Это сравнение сбивает с толку, потому что привычный взрыв происходит внутри готового пространства. В космологической модели речь идёт о раннем горячем и плотном состоянии самой Вселенной. Для проверки спросите себя: предполагает ли объяснение пространство «снаружи» взрыва? Нет, это не часть идеи.

Ошибка: считать постоянную Хаббла скоростью удаления любой галактики. Название «постоянная» может создать такое впечатление, но H₀ — коэффициент в законе v = H₀r, а не готовая скорость. Подставьте расстояние: именно оно вместе с коэффициентом определяет v. Если в ответе скорость не меняется при изменении расстояния, значит, закон применён неверно.

Ошибка: считать 1/H₀ точным возрастом Вселенной. Это лишь оценка, поскольку она не учитывает подробно изменение темпа расширения со временем. Её используют, чтобы получить характерный временной масштаб. Проверить себя можно по смыслу: если скорость расширения менялась, одной нынешней величины H₀ недостаточно для точного восстановления всей истории.

Связь с другими темами

Для понимания красного смещения нужно знать, что такое спектр и как длина волны связана с движением источника: эти идеи изучают при разборе излучения. Представления о галактиках и астрономических наблюдениях дают основу для космологических выводов, а закон Хаббла связывает данные наблюдений с физической моделью. Тема продолжает изучение космоса и пригодится при знакомстве с космологией, строением звёздных систем и современными моделями Вселенной.

Что запомнить

• Спектры далёких галактик показывают красное смещение.
• В среднем скорость удаления галактики тем больше, чем дальше она находится.
• Закон Хаббла записывается как v = H₀r.
• Расширение Вселенной не означает разлёт галактик из единого центра.
• Горячая модель предполагает, что ранняя Вселенная была плотнее и горячее.
• Реликтовое излучение — важное свидетельство горячего прошлого Вселенной.