"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Вселенная — всё пространство, материя и излучение: в неё входят галактики, звёзды и другие небесные тела. Изучая свет далёких объектов, астрономы выясняют, как движутся галактики и какой была Вселенная в прошлом. Красное смещение показывает, что многие галактики удаляются друг от друга, а сама Вселенная расширяется. Современная модель объясняет это расширение развитием Вселенной из раннего горячего и плотного состояния.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Вселенная — всё пространство, материя и излучение. В неё входят галактики, звёзды, планеты, облака газа и пыли, а также другие небесные тела. Это понятие помогает рассматривать космос как единое целое, а не как набор отдельных объектов.
Галактика — большая система звёзд, газа, пыли и тёмной материи, удерживаемая гравитацией. Гравитация — притяжение тел друг к другу; благодаря ей составляющие галактики образуют связанную систему. Млечный Путь — галактика, в которой находятся Солнце и наша планетная система.
Световой год — расстояние, которое свет проходит за один год. Свет распространяется примерно со скоростью 300 000 км/с, поэтому за год он преодолевает огромный путь. Хотя в названии есть слово «год», световой год измеряет расстояние, а не длительность события.
Красное смещение — увеличение длины волны света источника, из-за которого его спектральные линии сдвигаются к красному краю спектра. Спектральные линии — характерные участки спектра, по которым можно распознавать излучение вещества. Для далёких галактик красное смещение служит признаком удаления и помогает исследовать расширение Вселенной.
Свет от звезды или галактики можно разложить на спектр и изучить положение его линий. У каждого химического элемента есть характерные линии, поэтому астрономы знают, где они должны находиться, если источник не движется относительно наблюдателя. Когда линии смещены к красному краю, их длины волн стали больше; это происходит, если источник удаляется. Так спектр позволяет судить о движении объекта, хотя увидеть его перемещение на глаз обычно невозможно.
У далёких галактик наблюдают красное смещение, и чем больше расстояние до них, тем заметнее в среднем этот эффект. Это означает, что расстояния между далёкими галактиками увеличиваются, то есть расширяется сама Вселенная. Не нужно представлять их разлёт из одной центральной точки в пустоте: в такой картине у пространства заранее есть центр и внешняя область. В модели расширения нет особого центра, а увеличение расстояний происходит повсюду.
Если сейчас галактики удаляются друг от друга, то при мысленном движении времени назад вещество оказывается в более тесном и горячем состоянии. Модель Большого взрыва описывает именно такое раннее состояние Вселенной и её последующее расширение, а не взрыв в готовом пустом пространстве. По мере расширения энергия распределялась по всё большему объёму, поэтому Вселенная остывала. Эта модель объясняет, как могла изменяться Вселенная от плотного горячего состояния к наблюдаемому сегодня.
Сначала Вселенная была настолько горячей, что устойчивые атомы существовать не могли: вещество состояло из свободных частиц. По мере охлаждения электроны смогли соединиться с ядрами, и образовались атомы; вещество стало прозрачным для света. Позже притяжение помогло газу собираться в плотные области, где возникли первые звёзды. Звёзды объединялись в системы и вместе с газом и пылью образовывали первые галактики.
Свет распространяется с конечной скоростью, поэтому наблюдатель получает его не сразу после излучения. Для близкого объекта задержка мала, а свет от далёкой галактики может идти миллионы или миллиарды лет. Значит, телескоп показывает далёкую галактику такой, какой она была в эпоху, когда испустила дошедший до нас свет. Сравнивая объекты на разных расстояниях, астрономы исследуют различные этапы прошлого Вселенной.
| Этап | Что происходило | Что происходило с веществом | Наблюдательные свидетельства |
|---|---|---|---|
| Раннее горячее состояние | Вселенная была очень горячей и плотной. | Вещество существовало в виде свободных частиц; атомы не могли сохраняться. | Расширение Вселенной и наблюдаемое излучение ранних эпох. |
| Расширение и охлаждение | Пространство расширялось, температура снижалась. | Частицы и излучение остывали, условия постепенно менялись. | Красное смещение далёких галактик. |
| Образование атомов | Вселенная остыла настолько, что возникли устойчивые атомы. | Электроны соединились с ядрами, вещество стало в основном нейтральным. | Свидетельства раннего излучения, дошедшего до наших дней. |
| Возникновение первых звёзд и галактик | Вещество под действием притяжения собиралось в плотные области. | Газ образовал первые звёзды, а звёзды и газ — галактики. | Наблюдения далёких галактик показывают ранние стадии их развития. |
| Современная Вселенная | Существуют многочисленные галактики, а расширение продолжается. | Вещество собрано в звёзды, планеты, газовые облака и другие структуры. | Спектры галактик и наблюдения небесных объектов. |
Читайте строки таблицы сверху вниз: так видна последовательность изменений от раннего состояния до современной Вселенной. Последний столбец показывает, какие наблюдения помогают проверять наши представления о каждом этапе. Это не означает, что все подробности далёкого прошлого уже известны с одинаковой точностью.
Свет от звезды достиг Земли за 12 лет. На каком расстоянии от Земли находится звезда, если расстояние выражать в световых годах? Здесь уже дана единица, определённая через путь света за год. Поэтому достаточно установить, сколько таких годовых путей свет прошёл, и не подменять расстояние временем.
Ответ: звезда находится на расстоянии 12 световых лет. В реальности для очень далёких объектов точная связь между временем пути света и нынешним расстоянием может требовать учёта расширения Вселенной. Но в этой задаче используется прямое определение светового года.
В спектре далёкой галактики линии смещены к красному краю спектра. Какой вывод о движении галактики можно сделать? Нужно отличать цвет галактики от положения линий в её спектре. Сравнение с известными спектральными линиями показывает, изменились ли длины волн излучения.
Ответ: галактика удаляется от Земли. По одному наблюдению нельзя заключать, что она летит от особого центра Вселенной: красное смещение показывает движение относительно наблюдателя, а совокупность наблюдений говорит о расширении пространства.
Свет от одной галактики шёл до Земли дольше, чем свет от другой. Как сравнить расстояния до них и что наблюдения позволяют узнать об их прошлом? Свет движется с конечной скоростью, поэтому более долгое путешествие обычно означает, что объект дальше. При этом мы видим не нынешнее состояние галактики, а то, которое существовало во время излучения света.
Ответ: первая галактика дальше, а её изображение показывает более раннее состояние. Это позволяет сравнивать галактики разных эпох и изучать, как менялись объекты и Вселенная со временем.
Ошибка: считать световой год единицей времени. Так думают из-за слова «год» в названии. Проверь себя вопросом: что измеряет определение — длительность или путь, пройденный светом? Если речь о пути, ответ должен быть единицей расстояния.
Ошибка: представлять Большой взрыв как взрыв вещества в одной точке пустого пространства. Такое представление знакомо по обычным взрывам, которые происходят внутри уже существующего пространства. Но модель описывает расширение самой Вселенной; проверь себя, не приписал ли ты ей внешний пустой объём и центр.
Ошибка: думать, что красное смещение означает, будто галактика стала красной. Этому способствует название эффекта, но смещается не обязательно весь видимый цвет галактики, а линии её спектра. Проверь себя: увеличилась ли длина волны и изменилось ли положение линий относительно известных значений?
Ошибка: считать, что все галактики удаляются от одной особой центральной галактики. Так можно ошибочно представить расширение как разлёт обломков от точки взрыва. Проверь себя: речь идёт об увеличении расстояний между далёкими галактиками, а не о движении от выделенного центра.
Чтобы понять, как астрономы получают сведения о движении галактик, нужно знать, что такое свет, спектр и длина волны. Конечная скорость света объясняет, почему наблюдения показывают прошлое далёких объектов. Представление о гравитации помогает понять, как вещество собирается в звёзды и галактики.
Тема также опирается на знания о звёздах и галактиках: без них трудно представить структуру Вселенной и этапы её изменения. Идеи расширения и возраста Вселенной станут основой для дальнейшего знакомства с астрономией и космологией — наукой о происхождении и развитии Вселенной.
Что именно расширяется при расширении Вселенной?
Расширяется пространство между далёкими галактиками, поэтому расстояния между ними в среднем увеличиваются. Это не означает, что каждая галактика или Солнечная система сама по себе растёт.
Почему световой год измеряет расстояние, а не время?
Световой год — это расстояние, которое свет проходит за один год. Год в определении задаёт время движения, но величина, которую измеряют, — именно расстояние.
Как по спектру определить, что галактика удаляется?
В спектре сравнивают положения известных линий с их положениями в лабораторных условиях. Если линии смещены к красному краю, длины волн увеличились, и это указывает на удаление галактики.
Был ли у Большого взрыва центр?
Модель Большого взрыва описывает расширение самой Вселенной, а не разлёт вещества из одной точки в уже существовавшем пустом пространстве. Поэтому у расширения Вселенной нет особой центральной галактики, от которой удаляются все остальные.
Почему, наблюдая далёкие галактики, мы видим прошлое Вселенной?
Свет распространяется с конечной скоростью и тратит время на путь до Земли. Чем дальше объект, тем дольше шёл его свет и тем более раннее состояние объекта мы наблюдаем.
8. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ
