§94. Структура Вселеной, её расширение

Определения и обозначения

Вселенная — совокупность всего пространства, времени, материи и энергии. Наблюдаемая Вселенная — только та область, откуда свет успел дойти до нас; она не обязательно совпадает со Вселенной целиком. Это различие нужно, чтобы не принимать предел наших наблюдений за край всего существующего.

Галактика — гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмной материи. Гравитация удерживает её составляющие вместе, хотя внутри галактики они движутся по разным орбитам. Пример — Млечный Путь, в котором находится Солнечная система; понятие галактики помогает описывать крупные космические структуры.

Красное смещение — увеличение длины волны света, пришедшего от удалённого объекта. Астрономы сравнивают положение спектральных линий галактики с длинами волн тех же линий, измеренными в лаборатории. Если линии сдвинуты к красному краю спектра, можно определить величину смещения и использовать её для исследования движения и расширения Вселенной.

Постоянная Хаббла — коэффициент пропорциональности между скоростью удаления далёкой галактики и расстоянием до неё. В записи v = H₀r она показывает, насколько увеличивается скорость удаления при увеличении расстояния на единицу. Её значение позволяет связывать наблюдаемые расстояния с темпом расширения Вселенной.

Как это устроено

Космические объекты объединены в иерархию: планеты обращаются вокруг звёзд, звёзды входят в галактики, а галактики собираются в группы и скопления. Такие уровни возникают потому, что гравитация притягивает материю и удерживает её в связанных системах. На ещё больших масштабах группы, скопления и отдельные галактики распределены в виде нитей и пустот — элементов крупномасштабной структуры. Поэтому описание Вселенной зависит от того, какой масштаб рассматривают.

Расстояния до галактик определяют разными методами, в том числе по объектам с известной или калибруемой светимостью: сравнивают, сколько света объект излучает и сколько доходит до наблюдателя. Для очень далёких галактик измеряют спектр и находят смещение знакомых спектральных линий. Длина волны в лаборатории обозначается λист, а наблюдаемая — λнабл; красное смещение вычисляют по формуле z = (λнабл − λист)/λист. По величине смещения оценивают удаление, а скорость для достаточно малых z можно приближённо найти как v ≈ cz.

Закон Хаббла записывается как v = H₀r: скорость удаления v пропорциональна расстоянию r. Это означает, что при одинаковом H₀ галактика вдвое дальше в среднем удаляется вдвое быстрее. Постоянная Хаббла H₀ задаёт современный темп расширения, а её единицы обычно записывают как км/(с·Мпк). Закон описывает общую тенденцию на больших расстояниях, а не точное движение каждой галактики: на него влияют и местные гравитационные взаимодействия.

Расширение не похоже на разлёт осколков из центра взрыва в уже существующее пустое пространство. На больших масштабах увеличиваются расстояния между удалёнными областями самого пространства, и поэтому отдельный наблюдатель не обнаруживает единственную точку, от которой должны удаляться все галактики. Аналогия с точками на поверхности надуваемого шара помогает представить увеличение расстояний, но не должна восприниматься буквально: Вселенная не обязана иметь центр на поверхности или расширяться во внешнюю пустоту. Галактики при этом не «летят» сквозь пространство от общего центра.

Если сегодня расстояния между далёкими областями увеличиваются, то при рассмотрении истории Вселенной назад они оказываются меньше. Материя в прошлом была сосредоточена в меньшем объёме, поэтому средняя плотность была выше; сжатое состояние также соответствовало более высокой температуре. Этот вывод приводит к модели горячей ранней Вселенной. Речь идёт не о взрыве в пустом пространстве, а об эволюции самого пространства и содержащегося в нём вещества.

Уровни крупномасштабной структуры Вселенной

Читайте таблицу сверху вниз: каждый следующий уровень охватывает более крупные образования и всё большие расстояния. Уровень наблюдаемой Вселенной отличается от остальных: его граница связана с тем, что мы можем увидеть, а не с общей гравитацией. Масштабы указаны ориентировочно, поскольку размеры объектов и их границы могут различаться.

Разбор задач

Задача 1. Две галактики находятся на расстояниях 50 Мпк и 100 Мпк. Сравнить ожидаемые скорости их удаления по закону Хаббла. Требуется сопоставить скорости, а не найти каждую отдельно, поэтому значение H₀ можно оставить общим множителем. Закон применим к достаточно далёким галактикам и описывает среднюю зависимость.

1. Записываем закон: v = H₀r.
2. Для первой галактики v₁ = H₀ · 50 Мпк, для второй v₂ = H₀ · 100 Мпк.
3. Делим скорости: v₂/v₁ = 100/50 = 2. Значит, скорость второй галактики вдвое больше.

Ответ: галактика на расстоянии 100 Мпк удаляется в среднем вдвое быстрее, чем галактика на расстоянии 50 Мпк.

Задача 2. Расстояние до галактики r = 80 Мпк, постоянная Хаббла H₀ = 70 км/(с·Мпк). Найти скорость удаления. Поскольку единица расстояния в H₀ — мегапарсек, оставляем r в Мпк: единицы Мпк сократятся. Полученный результат будет выражен в километрах в секунду.

1. Записываем зависимость v = H₀r.
2. Подставляем данные: v = 70 км/(с·Мпк) · 80 Мпк.
3. Вычисляем: v = 5600 км/с; множители Мпк сокращаются.

Ответ: скорость удаления составляет 5600 км/с. Это значение следует трактовать как оценку по закону Хаббла, без учёта местного движения галактики.

Задача 3. Лабораторная длина волны спектральной линии равна 500 нм, наблюдаемая — 510 нм. Найти красное смещение и оценить скорость удаления, используя приближение для малых скоростей. Сначала определяем относительное изменение длины волны, а затем применяем связь z ≈ v/c. Так как смещение составляет лишь небольшую долю скорости света, такое приближение подходит для оценки.

1. Находим разность длин волн: 510 нм − 500 нм = 10 нм.
2. Вычисляем красное смещение: z = 10/500 = 0,02.
3. Используем v ≈ cz при c ≈ 300 000 км/с: v ≈ 0,02 · 300 000 км/с = 6000 км/с.

Ответ: z = 0,02, скорость удаления приблизительно равна 6000 км/с. Формула v ≈ cz применима при небольших скоростях по сравнению со скоростью света; для больших смещений нужны более точные космологические соотношения.

Типичные ошибки

• Представлять, что все галактики разлетаются из одной центральной точки. Так можно ошибочно понять закон Хаббла как обычный взрыв. Расширяются расстояния между удалёнными областями пространства, поэтому наблюдатели в разных крупных галактиках увидят общую тенденцию. Проверьте себя: не ищите центр, от которого обязаны удаляться все объекты.
• Считать, что вместе с Вселенной пропорционально растут галактики и планетные системы. Ошибка возникает, если распространить космологическое расширение на любой масштаб. Связанные гравитацией системы удерживают свои размеры и не расширяются таким образом. Для проверки спросите, является ли рассматриваемая система гравитационно связанной.
• Считать красное смещение во всех случаях обычным эффектом Доплера. Смещение спектральных линий действительно может быть связано с движением источника, поэтому эти явления легко спутать. На космологических расстояниях основная интерпретация связана с расширением пространства. Проверяйте, рассматривается ли близкий объект или далёкая галактика в космологическом масштабе.
• Смешивать единицы расстояния и постоянной Хаббла. Например, подстановка километров вместо мегапарсеков при H₀ в км/(с·Мпк) даёт неверный результат. Ошибка появляется из-за пропущенного сокращения единиц. Перед вычислением убедитесь, что расстояние дано в Мпк, а ответ имеет размерность км/с.

Связь с другими темами

Для понимания структуры Вселенной нужны знания об устройстве Солнечной системы и звёзд, а также умение читать спектры и работать с длиной волны. Определение расстояний опирается на способы сравнения светимости и наблюдаемого излучения. Закон Хаббла и красное смещение затем используют при изучении космологических моделей, возраста и эволюции Вселенной. Так наблюдения далёких галактик связывают физику света с историей космоса.

Что запомнить

• Галактики образуют группы, скопления и более крупные структуры.
• Красное смещение спектральных линий далёких галактик служит наблюдательным признаком их удаления.
• Для достаточно далёких галактик скорость удаления пропорциональна расстоянию: v = H₀r.
• Постоянная Хаббла задаёт современный темп расширения Вселенной.
• Расширение Вселенной не требует существования выделенного центра внутри неё.
• Гравитационно связанные системы не расширяются вместе с космологическим пространством.