"Физика (углублённый уровень)", Кабардин О.Ф., Глазунов А.Т., Орлов В.А. и др. / Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.
Метагалактика — наблюдаемая область Вселенной, где находятся галактики и их скопления. Изучая свет далёких галактик, астрономы обнаруживают красное смещение и устанавливают, что в среднем галактики удаляются друг от друга. Закон Хаббла связывает скорость удаления с расстоянием и помогает оценивать масштабы космоса. Однако наблюдаемая область не обязательно совпадает со всей Вселенной, а расширение не означает разлёт галактик из единого центра.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Метагалактика — наблюдаемая часть Вселенной, включающая множество галактик. Это название относится к области, доступной наблюдениям, а не обязательно ко всему существующему космосу. Понятие помогает отделить наблюдаемые масштабы от вопроса о том, насколько Вселенная больше видимой области.
Космологический принцип — предположение, что на достаточно больших масштабах Вселенная однородна и изотропна. Однородность означает отсутствие выделенных мест, а изотропность — отсутствие выделенных направлений. Это упрощающее основание для описания космоса в целом, а не утверждение о том, что звёзды и галактики распределены одинаково повсюду.
Красное смещение — увеличение длины волны излучения, проявляющееся как сдвиг спектральных линий к красному краю спектра. Сравнение линий излучения галактики с известными лабораторными линиями позволяет определить относительное изменение длины волны. Так астрономы получают сведения о движении далёких объектов и расширении Вселенной.
Постоянная Хаббла — коэффициент пропорциональности между скоростью удаления галактики и расстоянием до неё. В законе v = H₀r она связывает эти величины и показывает, насколько быстро растёт скорость при увеличении расстояния. Индекс 0 обозначает современное значение коэффициента.
Космические объекты образуют иерархию: звёзды объединены в галактики, галактики — в скопления, а скопления могут входить в сверхскопления. Такое устройство возникает из-за гравитационного притяжения вещества, но на достаточно больших масштабах отдельные сгущения перестают определять картину целиком. Поэтому Метагалактику описывают как область, включающую множество галактик и их объединений, а космологические выводы делают по крупномасштабному распределению материи.
Чтобы исследовать движение галактики, астрономы анализируют её спектр — распределение излучения по длинам волн. У атомов есть характерные спектральные линии, словно метки, поэтому линии галактики можно сопоставить с теми же линиями, измеренными в лаборатории. Если наблюдаемая линия находится при большей длине волны, спектр смещён к красному краю; относительное изменение выражают как z = Δλ/λ. При небольшом z скорость удаления можно приближённо оценить формулой v ≈ cz.
Наблюдения показывают закономерность: чем дальше галактика, тем больше её скорость удаления в среднем. Эту связь записывают как v = H₀r, где v — скорость удаления, r — расстояние до галактики, а H₀ — постоянная Хаббла. Если расстояние измерено в мегапарсеках, для получения скорости в км/с H₀ берут в км/(с·Мпк). Закон описывает общую зависимость для удалённых галактик, а не одинаковую скорость всех объектов: отдельные движения могут отличаться.
Удаление галактик объясняют расширением самого пространства: расстояния между удалёнными областями растут, а не все галактики летят от одной точки сквозь неподвижное пространство. Представить это можно как увеличение промежутков между точками на растягивающейся поверхности, хотя сама поверхность — лишь наглядная аналогия. В такой картине нет выделенного центра расширения внутри пространства: наблюдатели в разных галактиках видят сходную общую закономерность. Локальные гравитационно связанные системы при этом не обязаны расширяться вместе со всем космосом.
Наблюдения спектров дают скорости удаления, а оценки расстояний позволяют проверить закон Хаббла и судить о крупных масштабах космоса. Постоянная Хаббла также задаёт характерный масштаб времени 1/H₀: это время, за которое при неизменной нынешней скорости расширения расстояния изменились бы на величину порядка исходных. Но скорость расширения менялась в ходе эволюции Вселенной, поэтому 1/H₀ нельзя считать точным возрастом. Чтобы оценить возраст и историю расширения, учитывают космологическую модель и состав Вселенной.
| Наблюдение или величина | Связь | Что позволяет заключить |
|---|---|---|
| Красное смещение спектра | z = Δλ/λ; при малом z: v ≈ cz | Оценить скорость удаления галактики |
| Скорость удаления галактики | v = H₀r | Сопоставить движение с расстоянием |
| Расстояние до галактики | r = v/H₀ | Оценить положение галактики по закону Хаббла |
| Постоянная Хаббла | H₀ = v/r | Описать современную связь скорости и расстояния |
| Расширение Вселенной | Для далёких галактик v растёт с r | Заключить, что масштабы пространства увеличиваются |
Читайте таблицу как цепочку измерений: по смещению спектральных линий находят красное смещение и оценивают скорость, а затем сопоставляют её с расстоянием. Закон Хаббла позволяет также вычислить неизвестное расстояние или скорость, если известны остальные величины. При расчётах проверяйте единицы и помните, что приближение v ≈ cz применимо при малом красном смещении.
Задача 1. Для галактики на расстоянии 20 Мпк оценить скорость удаления, если H₀ = 70 км/(с·Мпк). Используем закон Хаббла v = H₀r: он прямо связывает скорость с расстоянием. Поскольку единица Мпк в H₀ сокращается с единицей расстояния, результат получится в км/с.
Ответ: скорость удаления галактики составляет примерно 1400 км/с. Это оценка по закону Хаббла; реальные движения отдельных галактик могут иметь дополнительные особенности.
Задача 2. Скорость удаления галактики равна 1400 км/с, а H₀ = 70 км/(с·Мпк). Найти расстояние до неё. Здесь неизвестно r, поэтому из v = H₀r выразим расстояние делением скорости на постоянную Хаббла. Единицы при делении также подскажут, что результат будет в мегапарсеках.
Ответ: расстояние составляет 20 Мпк. Единицы км/с сокращаются, а деление на величину в расчёте на один мегапарсек оставляет мегапарсеки.
Задача 3. Наблюдаемая спектральная линия сместилась с лабораторной длины волны λ на величину Δλ. Требуется найти относительное изменение длины волны и по нему оценить скорость удаления при малом красном смещении. Сначала найдём z, потому что именно эта величина характеризует сдвиг относительно исходной длины волны. Затем воспользуемся приближением, а не точной формулой для больших скоростей.
Ответ: относительное изменение длины волны равно Δλ/λ, а скорость удаления при малом смещении оценивается как v ≈ cΔλ/λ. Без численных значений λ и Δλ получить численный ответ нельзя; при большом z требуется более точная релятивистская связь.
Первая ошибка — считать Метагалактику и всю Вселенную одним и тем же. Её допускают, потому что наблюдаемая область кажется единственным доступным объектом изучения, но граница наблюдений не обязана быть физической границей космоса. Проверка: спросите себя, говорит ли определение о наблюдаемой части или обо всём существующем пространстве.
Вторая ошибка — понимать закон Хаббла как движение всех галактик от единого центра. Такую картину легко представить, если воспринимать расширение как обычный разлёт объектов внутри неподвижного пространства. Проверка: в формулировке закона сравниваются расстояние и скорость, а расширяется пространство в целом; особый центр из этой зависимости не следует.
Третья ошибка — путать красное смещение с обычным покраснением источника. Речь не о том, что галактика стала выглядеть краснее из-за цвета или яркости, а о перемещении спектральных линий к большим длинам волн. Проверка: сравните положение линии с лабораторным значением и вычислите z = Δλ/λ.
Четвёртая ошибка — подставлять расстояние в мегапарсеках, не проверив единицы H₀, или объявлять 1/H₀ точным возрастом Вселенной. Это возникает при механической подстановке формул и при смешении характерного времени с возрастом, учитывающим всю историю расширения. Проверка: сокращаются ли единицы до нужной скорости и указано ли, что возраст определяется с учётом космологической модели.
Для чтения спектра нужны знания о строении атома: переходы между энергетическими уровнями создают линии, по которым распознают излучение галактик. Понятия скорости, расстояния и пропорциональной зависимости помогают применять закон Хаббла и проверять единицы в расчётах. Далее эти сведения используют при изучении космологических моделей, возраста и эволюции Вселенной. Таким образом, спектроскопия связывает свойства вещества с наблюдениями на масштабах космоса.
Что называют Метагалактикой?
Метагалактикой называют наблюдаемую часть Вселенной, содержащую множество галактик и их объединений. Её граница связана с тем, какие области космоса доступны наблюдениям, поэтому она не обязательно является границей всей Вселенной.
Как по спектру узнают, что галактика удаляется?
В спектре галактики находят линии, соответствующие известным элементам, и сравнивают их положения с лабораторными. Если линии сдвинуты к большим длинам волн, это красное смещение; при небольших скоростях оно указывает на удаление источника.
Почему красное смещение указывает на расширение Вселенной?
У далёких галактик спектральные линии обычно смещены к большим длинам волн, а величина смещения связана со скоростью удаления. Чем дальше галактика, тем больше эта скорость в среднем, что согласуется с расширением пространства.
Что показывает постоянная Хаббла?
Постоянная Хаббла H₀ задаёт коэффициент в связи v = H₀r между скоростью удаления галактики и расстоянием до неё. Она показывает, насколько быстро растёт скорость удаления при увеличении расстояния.
Есть ли у расширения Вселенной центр?
В стандартном описании расширяется пространство в целом, поэтому галактики не разлетаются из одной особой точки внутри него. Наблюдатель в любой достаточно крупной области видит, что далёкие галактики в среднем удаляются.
§ 94. Большая Вселенная
