"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М.
Вселенная — всё существующее: от частиц и планет до галактик, пространства и времени. Её изучение помогает понять, как устроен космос и как он менялся. Наблюдения за светом далёких галактик показывают, что они в среднем удаляются друг от друга, а пространство расширяется. Закон Хаббла связывает скорость этого удаления с расстоянием, а реликтовое излучение свидетельствует о горячем и плотном прошлом Вселенной.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вселенная — всё существующее в пространстве и времени: материя, излучение, поля и их взаимодействие. Это не только видимые звёзды, но и пространство, в котором находятся космические объекты. Понятие нужно, чтобы говорить о космосе как о единой физической системе.
Галактика — гигантская система звёзд, газа, пыли и тёмного вещества, связанная силами тяготения. Тяготение удерживает её составляющие вместе, хотя сама галактика может быть частью ещё более крупной системы. Это понятие помогает описывать устройство Вселенной на масштабах больше планетных систем.
Красное смещение — увеличение длины волны излучения удаляющегося от наблюдателя объекта. В спектре галактики знакомые линии оказываются смещены к длинным, красным волнам. Сравнение их положения с лабораторными значениями помогает исследовать движение и свойства далёких объектов.
Закон Хаббла — зависимость скорости удаления галактики от расстояния до неё: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Для расчётов используют формулу v = H₀r, где H₀ — постоянная Хаббла, а r — расстояние. Закон позволяет связать наблюдаемое движение галактик с масштабом Вселенной.
Вселенную изучают на разных масштабах: планеты обращаются вокруг звёзд, звёзды входят в галактики, а галактики собираются в группы и скопления. Это иерархическое устройство возникает потому, что сила тяготения собирает вещество в связанные системы. На ещё больших расстояниях скопления образуют нити и стенки, между которыми лежат огромные малоплотные области. Поэтому картина космоса зависит от того, какой масштаб рассматривают.
Свет далёких галактик приходит к нам в виде спектра — набора длин волн с характерными линиями. Если линии смещены к красному краю, длина волны стала больше; это может быть связано с движением источника и эффектом Доплера. Для космологических расстояний существенно также растяжение самой волны вместе с расширяющимся пространством. По величине смещения спектральных линий астрономы оценивают красное смещение, а при небольших скоростях — скорость удаления: z ≈ v/c.
Наблюдения показывают: в среднем далёкие галактики удаляются, причём более далёкие — быстрее. Такое общее соотношение описывает закон Хаббла, но отдельные галактики могут иметь и собственные движения под действием тяготения. Космологическое объяснение состоит не в том, что все объекты разлетаются из одного центра через неподвижное пространство. На больших масштабах растут расстояния между галактиками, потому что расширяется само пространство.
Если пространство расширяется сейчас, то при мысленном движении назад во времени расстояния между галактиками становятся меньше. В прошлом вещество и излучение должны были быть гораздо горячее и плотнее, а сама Вселенная — компактнее. Эту картину описывает модель Большого взрыва: речь идёт о начале расширения из горячего плотного состояния, а не о взрыве в готовой пустоте. Модель позволяет связать нынешние наблюдения с ранней историей космоса.
Идею эволюции Вселенной проверяют разными независимыми способами. Реликтовое излучение — слабое микроволновое излучение, сохранившееся с эпохи, когда ранняя Вселенная стала прозрачной; расширение растянуло его волны и охладило излучение. Модель также предсказывает определённое соотношение лёгких элементов, которое сравнивают с их наблюдаемым содержанием. Наконец, распределение галактик и скоплений помогает проверить, как структура Вселенной росла со временем.
| Понятие или явление | Что означает | Как наблюдается | Какой вывод позволяет сделать |
|---|---|---|---|
| Галактика | Гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмного вещества | По свету звёзд и газа, а также по гравитационному влиянию вещества | Вещество Вселенной собрано в крупные системы |
| Скопление галактик | Группа галактик, связанных тяготением | По наблюдениям галактик и горячего газа между ними | Галактики образуют структуры крупнее отдельной системы |
| Красное смещение | Увеличение длины волны света | По сдвигу спектральных линий к красной части спектра | Можно оценить удаление далёких галактик |
| Закон Хаббла | v = H₀r: скорость удаления пропорциональна расстоянию | По сопоставлению расстояний и скоростей галактик | На больших масштабах расстояния между галактиками растут |
| Расширение Вселенной | Увеличение расстояний между далёкими объектами из-за расширения пространства | По красным смещениям галактик и другим космологическим наблюдениям | Вселенная меняется со временем |
| Реликтовое излучение | Остывшее излучение ранней Вселенной | Как микроволновый фон, приходящий со всех направлений | Ранняя Вселенная была горячей и плотной |
| Большой взрыв | Модель горячего плотного прошлого и расширения Вселенной | Проверяется по реликтовому излучению, лёгким элементам и структуре космоса | Наблюдения согласуются с эволюцией Вселенной |
Сначала определите, какой масштаб или наблюдаемое явление описано в первой колонке, а затем сопоставьте его с измерениями. Последняя колонка показывает, какой вывод допускают эти данные, но не означает, что один признак сам по себе доказывает всю космологическую модель. Надёжнее всего выводы, когда их подтверждают разные независимые наблюдения.
Задача 1. Галактика находится на расстоянии 50 Мпк, постоянная Хаббла равна 70 км/(с·Мпк). Найдём скорость её удаления по закону Хаббла. Важно проверить, что единицы расстояния совпадают с единицами, указанными в H₀.
Ответ: скорость удаления галактики примерно 3500 км/с. Это значение следует понимать как оценку в рамках закона Хаббла, а не как точную скорость с учётом всех особенностей движения галактики.
Задача 2. Расстояния до двух галактик равны 20 Мпк и 80 Мпк. Нужно сравнить скорости их удаления. Поскольку постоянная Хаббла для обеих галактик одна и та же, вычислять каждую скорость отдельно не требуется.
Ответ: галактика на расстоянии 80 Мпк удаляется в четыре раза быстрее, чем галактика на расстоянии 20 Мпк. Такое сравнение справедливо для общего хаббловского движения и не учитывает индивидуальные скорости галактик.
Задача 3. По наблюдаемому красному смещению нужно оценить скорость удаления галактики и расстояние до неё. Если смещение обозначить z = (λнабл − λист)/λист, то при небольшом z скорость оценивают как v ≈ cz. Из условия численное значение z не задано, поэтому найдём общий способ решения.
Ответ: при малом красном смещении v ≈ cz, а расстояние r ≈ cz/H₀. Перед расчётом нужно проверить, что скорость попадает в область применимости приближения, и выразить H₀ в согласованных единицах.
Ошибка: считать, что красное смещение всегда означает удаление объекта. Его могут вызывать и другие причины, например гравитационное поле; в космологии рассматривают прежде всего спектры далёких галактик и учитывают контекст наблюдения. Ошибка возникает, если переносить простое объяснение эффекта Доплера на любой источник света. Проверьте себя: речь должна идти о спектре галактики и о космологическом красном смещении.
Ошибка: представлять расширение Вселенной как разлёт галактик из одной точки в заранее существующей пустоте. Такое представление удобно для обычного взрыва, поэтому его легко перенести на космос, но оно не описывает расширение самого пространства. Проверьте формулировку: увеличиваются расстояния между далёкими галактиками, а выделенного центра расширения модель не требует.
Ошибка: подставлять расстояние в закон Хаббла без проверки единиц или считать H₀ скоростью. Значение H₀ измеряется, например, в км/(с·Мпк), поэтому после умножения на расстояние в Мпк получается скорость в км/с. Путаница возникает из-за слова «постоянная», хотя это коэффициент пропорциональности с размерностью. Проверьте сокращение единиц и то, что ответ имеет размерность скорости.
Ошибка: считать Большой взрыв обычным взрывом вещества в пустом пространстве. В привычном взрыве вещество разлетается в уже существующую окружающую среду, а космологическая модель описывает расширение пространства из горячего плотного состояния. Ошибку провоцирует само слово «взрыв», которое звучит как описание привычного события. Проверьте себя: модель говорит об эволюции всей Вселенной, а не о центре разлёта в готовой пустоте.
Для понимания темы пригодятся закон всемирного тяготения и представление о строении Солнечной системы и галактики: тяготение объясняет, как формируются связанные космические системы. Понятия спектра и длины волны нужны, чтобы распознавать смещение спектральных линий. Эффект Доплера помогает связать изменение длины волны с движением источника, хотя космологическое красное смещение на больших расстояниях требует учитывать расширение пространства.
Закон Хаббла связывает спектральные наблюдения с оценкой расстояний до далёких галактик. Дальше эти знания применяют в астрофизике, при изучении эволюции звёзд и галактик, реликтового излучения и космологических моделей. Сопоставление моделей с астрономическими данными позволяет проверять представления о прошлом и крупномасштабном устройстве Вселенной.
Что именно расширяется во Вселенной — галактики или пространство между ними?
На больших масштабах расширяется само пространство, поэтому расстояния между далёкими галактиками увеличиваются. Гравитация удерживает связанные системы, например Солнечную систему и галактики, поэтому они не расширяются вместе с космосом.
Есть ли у расширения Вселенной центр?
В стандартной космологической картине расширение не происходит из одной точки внутри пространства, поэтому выделенного центра у него нет. Наблюдатель в любой достаточно удалённой галактике увидел бы в среднем такое же разбегание других галактик.
Почему красное смещение говорит об удалении галактики?
При удалении источника наблюдаемые волны его света растягиваются, и спектральные линии смещаются к красному краю спектра. Для далёких галактик это смещение обычно связано с расширением пространства.
Что такое Большой взрыв и чем он отличается от обычного взрыва?
Большой взрыв — название раннего горячего и плотного состояния Вселенной и начавшегося расширения пространства. Это не взрыв вещества из центра в окружающую пустоту: в модели не предполагается внешнее пространство, куда разлетается материя.
Можно ли по закону Хаббла определить расстояние до галактики?
Да: если известна скорость удаления, расстояние находят из соотношения r = v / H₀. Скорость можно оценить по спектральному смещению, но метод особенно надёжен для далёких галактик, где меньше влияют их собственные движения.
§ 61. Вселенная
