"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Вселенная — всё пространство и находящиеся в нём космические объекты; её история раскрывается через наблюдения за светом галактик. Красное смещение показывает, что далёкие галактики удаляются, а закон Хаббла связывает скорость их удаления с расстоянием. Это наблюдаемое расширение позволяет представить, какой была Вселенная раньше: горячей и плотной. Модель Большого взрыва описывает её развитие, а реликтовое излучение служит свидетельством раннего горячего этапа.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Расширение Вселенной — увеличение расстояний между далёкими галактиками со временем. Представлять его как разлёт галактик из общего центра в пустое пространство неверно: увеличивается масштаб самого пространства. Это понятие помогает описать наблюдаемое изменение расстояний в космосе.
Красное смещение — увеличение длины волны света от удалённых галактик, то есть сдвиг линий их спектра к красному краю. Речь идёт не о том, что галактика стала краснее из-за своего состава. По смещению спектральных линий астрономы судят об удалении далёких объектов.
Реликтовое излучение — слабое электромагнитное излучение, оставшееся от раннего этапа развития Вселенной. Из-за расширения пространства оно остыло и теперь наблюдается как микроволновое излучение. Его изучение позволяет исследовать состояние Вселенной в далёком прошлом.
Большой взрыв — научная модель, согласно которой Вселенная расширяется из горячего и плотного раннего состояния. Это не обычный взрыв в точке, находившейся внутри заранее существовавшего пространства. Модель нужна, чтобы связать наблюдаемое расширение с историей развития Вселенной.
Свет далёких галактик можно разложить на спектр — набор волн разных длин. В спектрах обнаруживают линии, связанные с определёнными веществами, но у удалённых галактик эти линии сдвинуты к большим длинам волн. Такое красное смещение объясняется увеличением расстояния между источником света и наблюдателем по мере расширения пространства. Чем дальше галактика, тем в среднем больше её скорость удаления, поэтому величина смещения обычно тоже значительна.
Связь между расстоянием и скоростью удаления описывает закон Хаббла: v = H₀r. Здесь v — скорость удаления, r — расстояние до галактики, а H₀ — постоянная Хаббла, величина, характеризующая темп расширения. Пропорциональность означает, что при увеличении расстояния в несколько раз скорость по этой зависимости возрастает во столько же раз. Измеряя красное смещение и расстояния до галактик, учёные оценивают скорости и определяют темп расширения.
Если мысленно обратить расширение вспять, расстояния между галактиками будут уменьшаться. Значит, в прошлом Вселенная была плотнее, а сжатие вещества и излучения сопровождалось повышением температуры. Модель Большого взрыва описывает не разлёт осколков из одной точки, а раннее горячее и плотное состояние Вселенной и дальнейшее расширение пространства. Её выводы сопоставляют с наблюдениями, а не принимают как описание обычного взрыва.
Расширяясь, Вселенная остывала, потому что энергия излучения распределялась по увеличивающемуся пространству. На ранних этапах образовались лёгкие ядра, позднее электроны соединились с ядрами и возникли атомы. После появления атомов вещество стало собираться под действием гравитации — взаимного притяжения тел. Так со временем сформировались звёзды, а затем и галактики.
До образования атомов свободные электроны часто рассеивали излучение, поэтому оно не могло далеко распространяться. Когда атомы сформировались, излучение получило возможность свободно двигаться по Вселенной и сохранилось до наших дней. По мере расширения пространства длины его волн увеличивались, а температура снижалась. Поэтому сейчас мы наблюдаем это древнее излучение в микроволновом диапазоне; оно поддерживает представление о горячем раннем этапе.
| Наблюдение или явление | Что обнаруживают | Какой вывод делают |
|---|---|---|
| Красное смещение в спектрах далёких галактик | Спектральные линии сдвинуты к большим длинам волн. | Галактики удаляются; наблюдаемое смещение связано с расширением пространства. |
| Зависимость скорости удаления от расстояния | У более далёких галактик скорость удаления в среднем выше. | Для далёких галактик действует приближённая зависимость закона Хаббла: v = H₀r. |
| Реликтовое излучение | Во Вселенной наблюдается слабое микроволновое излучение. | Оно сохранилось от ранней горячей Вселенной и охладилось при расширении. |
| Образование звёзд и галактик | Вещество объединялось в космические структуры под действием гравитации. | После ранних этапов развития Вселенной формировались сложные объекты. |
Читайте таблицу как цепочку: сначала наблюдаемое явление, затем измеряемый признак и вывод, который из него следует. Один факт сам по себе не описывает всю историю Вселенной, поэтому выводы проверяют по нескольким видам наблюдений. Сопоставление красного смещения, реликтового излучения и образования космических объектов помогает оценить разные этапы её развития.
Галактика удаляется со скоростью 700 км/с. Используем закон Хаббла v = H₀r и значение H₀, данное в условии. Сначала нужно выразить искомое расстояние, а затем проверить единицы: если H₀ задано в км/с на мегапарсек, расстояние получится в мегапарсеках.
Записываем закон: v = H₀r.
Выражаем расстояние: r = v/H₀.
Подставляем v = 700 км/с и значение H₀ из условия. Единица км/с сокращается с такой же единицей в H₀, остаётся единица расстояния.
Ответ: r = 700/H₀, в единицах, соответствующих заданному H₀. Например, при H₀ = 70 км/(с·Мпк) получаем r = 10 Мпк. Если в условии дано другое значение постоянной, численный результат нужно пересчитать.
Одна галактика находится вдвое дальше другой. Нужно определить отношение их скоростей удаления, предполагая, что для обеих применим закон Хаббла. Закон связывает скорость с расстоянием, но не утверждает, что скорости всех галактик одинаковы.
Обозначим расстояние до первой галактики r, тогда до второй — 2r.
По закону Хаббла их скорости равны v₁ = H₀r и v₂ = H₀ · 2r.
Сравниваем выражения: v₂/v₁ = 2H₀r/(H₀r) = 2.
Ответ: вторая галактика удаляется вдвое быстрее первой. Постоянная H₀ сокращается, потому что для обеих галактик используется одно и то же значение. Вывод относится к заданной зависимости для далёких галактик.
Нужно связать наблюдаемое микроволновое излучение с ранним состоянием Вселенной. В ранней горячей Вселенной излучение взаимодействовало с веществом и не могло свободно распространяться на большие расстояния. Изменение условий по мере расширения объясняет, почему древнее излучение доступно наблюдениям сегодня.
При расширении Вселенная остывала, и возникли атомы.
После образования атомов излучение стало свободно распространяться и сохранилось в пространстве.
Расширение увеличивало длины волн этого излучения и снижало его температуру.
Ответ: реликтовое излучение поддерживает модель горячей ранней Вселенной, потому что его существование связано с ранним горячим состоянием и последующим охлаждением. Сейчас оно наблюдается как микроволновое именно вследствие расширения пространства. Это не свет современных звёзд, а излучение, сохранившееся с раннего этапа.
Ошибочно представлять Большой взрыв как событие в определённой точке, откуда галактики разлетаются в пустоту. Такое представление возникает из-за сходства слова «взрыв» с привычным взрывом вещества. Модель описывает расширение самого пространства, а не разлёт из единого центра. Проверь себя: в объяснении не должно быть центра Вселенной, из которого всё разлетается.
Красное смещение иногда принимают за изменение цвета галактики из-за её состава. Путаница возникает потому, что слово «красное» звучит как описание внешнего вида объекта. На деле измеряют положение спектральных линий и их сдвиг к большим длинам волн. Для проверки говори о спектре и длинах волн, а не о том, что галактика просто стала красной.
Закон Хаббла неверно пересказывают как утверждение, что все галактики движутся с одной постоянной скоростью. Вероятная причина ошибки — смешение постоянной H₀ с самой скоростью удаления. Закон задаёт связь v = H₀r для далёких галактик: скорость зависит от расстояния. Проверь себя подстановкой двух разных расстояний: при большем расстоянии по формуле получится большая скорость.
Реликтовое излучение не является светом звёзд или излучением современного взрыва. Так можно подумать, если не учитывать, что оно сохранилось с раннего этапа развития Вселенной. Его нынешний микроволновый характер объясняется охлаждением при расширении пространства. Проверь объяснение: в нём должны быть ранняя Вселенная, свободное распространение излучения и последующее охлаждение.
Чтобы разбираться в теме, нужно знать, что такое спектр и длина волны, а также уметь работать с расстояниями и скоростями. Эти понятия позволяют понять, что именно измеряют при наблюдении за галактиками. Гравитация объясняет, почему вещество собирается в более крупные структуры.
Наблюдения за галактиками связывают свойства их света с устройством и историей космоса. Свет далёких объектов становится источником сведений о процессах, которые происходили задолго до наших наблюдений. Поэтому тема помогает понять, как физические измерения применяются в астрономии.
Представления о расширении пригодятся при дальнейшем изучении астрономии и космологических моделей. Они помогают осмыслить наблюдения реликтового излучения и вопросы о раннем состоянии Вселенной. Так школьные знания о волнах, движении и гравитации становятся основой для изучения космоса.
Что именно расширяется во Вселенной?
Расширяется само пространство: расстояния между далёкими галактиками со временем увеличиваются. Это не означает, что галактики разлетаются из единой точки в заранее существовавшую пустоту.
Почему красное смещение свидетельствует об удалении галактик?
В спектре галактики характерные линии оказываются смещены к большим длинам волн — к красному краю. Такое смещение связано с увеличением расстояния между нами и далёкой галактикой.
Как связаны скорость удаления галактики и расстояние до неё?
Для далёких галактик закон Хаббла задаёт приблизительную прямую пропорциональность: v = H₀r. Если расстояние возрастает вдвое, скорость удаления по этой зависимости тоже возрастает вдвое.
Что называют Большим взрывом?
Так называют научную модель, описывающую развитие Вселенной из горячего и плотного раннего состояния. Это не обычный взрыв в определённой точке пространства.
Почему реликтовое излучение считают свидетельством ранней Вселенной?
Это излучение сохранилось с раннего этапа, когда Вселенная была горячей и плотной. По мере расширения пространства оно охладилось и сегодня наблюдается как микроволновое.
56. Рождение и эволюция Вселенной
