"Физика (углублённый уровень)", Касьянов В.А.
Далёкие галактики в среднем удаляются от нас, причём скорость их удаления тем больше, чем дальше они находятся. Это явление называют расширением Вселенной: со временем растут расстояния между галактиками, а не размеры самих галактик. Связь скорости и расстояния описывает закон Хаббла v = H₀r. Его используют, чтобы оценивать расстояния до далёких объектов и исследовать темп расширения космоса.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Красное смещение — увеличение длины волны излучения далёкой галактики по сравнению с длиной волны, излучённой источником. В спектре это видно по сдвигу характерных линий к красному краю. По величине сдвига астрономы судят о движении галактики и о том, как менялся свет на пути к нам.
Закон Хаббла — зависимость скорости удаления галактики от расстояния до неё: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Для далёких галактик эту зависимость в простейшем приближении записывают формулой v = H₀r. Закон помогает оценивать расстояния, когда скорость удаления можно определить по спектру.
Постоянная Хаббла — коэффициент пропорциональности в законе Хаббла; её обозначают H₀. Её измеряют, например, в километрах в секунду на мегапарсек: км/(с·Мпк). Значение H₀ показывает, насколько возрастает скорость удаления при увеличении расстояния на один мегапарсек.
Расширение Вселенной — увеличение расстояний между далёкими галактиками со временем, не означающее расширения самих галактик. Объекты, связанные гравитацией, сохраняют свои размеры, тогда как на больших космических масштабах расстояния в среднем растут. Это различие нужно, чтобы не представлять расширение как разлёт всех тел из одной точки.
У каждого химического элемента есть характерные спектральные линии, то есть узкие участки спектра, соответствующие определённым длинам волн. Астрономы находят линии в свете галактики и сопоставляют их с измеренными в лаборатории. Если линии оказались сдвинуты к большим длинам волн, говорят о красном смещении; для движущегося источника это связано с эффектом Доплера, а на космических расстояниях также с расширением пространства во время распространения света. Поэтому систематическое красное смещение далёких галактик служит наблюдательным свидетельством их удаления.
Чтобы связать удаление с расстоянием, астрономы измеряют спектральное смещение и по нему находят скорость, а расстояние до галактик определяют независимыми методами. Затем сравнивают пары значений для множества объектов. Получается общая тенденция: большим расстояниям соответствуют большие скорости удаления. Отдельные галактики могут отклоняться от этой картины из-за притяжения соседей, поэтому закономерность рассматривают для достаточно больших масштабов и большого числа объектов.
Закон Хаббла записывают как v = H₀r, потому что в наблюдаемом диапазоне скорость удаления в среднем прямо пропорциональна расстоянию. Здесь v — скорость удаления галактики, r — расстояние до неё, а H₀ — постоянная пропорциональности, определённая для современной эпохи. При удвоении расстояния скорость по этой модели тоже удваивается. Например, если H₀ задана в км/(с·Мпк), расстояние нужно подставлять в мегапарсеках: тогда произведение даст скорость в км/с.
Чем дальше галактика, тем быстрее растёт расстояние до неё, поскольку расширение действует на весь промежуток между наблюдателем и объектом. Это не значит, что галактики разлетаются из единственного центра пространства. Наблюдатель в любой достаточно далёкой галактике тоже увидел бы, что окружающие далёкие галактики в среднем удаляются, а скорость зависит от расстояния до каждой из них. Следовательно, ни одна галактика не выделена как центр космического расширения.
Постоянная Хаббла позволяет оценить характерное время расширения величиной 1/H₀. Если взять H₀ около 70 км/(с·Мпк), после перевода единиц получится время порядка 14 миллиардов лет. Это лишь грубая оценка возраста и масштаба времени: она как будто предполагает неизменный темп расширения. В действительности темп менялся, поэтому точный возраст Вселенной находят с учётом космологической модели.
Таблица связывает величины, которые входят в закон Хаббла, с тем, что непосредственно наблюдают астрономы. Она поможет различать измеряемое красное смещение и вычисляемые по нему скорость или расстояние. При расчётах проверяйте, чтобы единицы расстояния соответствовали единицам постоянной Хаббла.
| Что рассматривается | Обозначение или проявление | Физический смысл |
|---|---|---|
| Расстояние до галактики | r | Промежуток от наблюдателя до галактики |
| Скорость удаления галактики | v | Скорость увеличения расстояния до галактики |
| Красное смещение спектральных линий | z, сдвиг к большим длинам волн | Наблюдаемое изменение положения линий спектра |
| Постоянная Хаббла | H₀ | Коэффициент пропорциональности между v и r |
| Связь скорости удаления с расстоянием | v = H₀r | Чем больше r, тем больше v в среднем |
Галактика находится на расстоянии 50 Мпк. Оцените скорость её удаления, если H₀ = 70 км/(с·Мпк). Используем закон Хаббла: скорость равна произведению постоянной на расстояние. Так как мегапарсек в единицах H₀ сокращается с мегапарсеком расстояния, результат будет в км/с.
Ответ: скорость удаления галактики составляет примерно 3500 км/с. Это оценка по средней зависимости Хаббла, поэтому реальная скорость может немного отличаться из-за местных движений галактик. Единицы согласованы: Мпк сократился, остались километры в секунду.
Скорость удаления галактики равна 5600 км/с, а H₀ = 70 км/(с·Мпк). Оценим расстояние до неё. Неизвестное расстояние найдём из закона Хаббла, разделив обе части равенства на H₀. При делении км/с на км/(с·Мпк) должны остаться мегапарсеки.
Ответ: расстояние составляет примерно 80 Мпк. Проверка обратной подстановкой даёт 70 · 80 = 5600 км/с. Такой способ применим, если скорость связана с расширением Вселенной и местное движение не слишком велико.
Для далёкой галактики измерено красное смещение z = 0,02. При малом z оценим скорость удаления и расстояние, используя H₀ = 70 км/(с·Мпк). Сначала переведём смещение в скорость по приближению v ≈ cz, где c ≈ 300 000 км/с. Затем применим закон Хаббла, поэтому оба результата останутся оценочными.
Ответ: скорость удаления около 6000 км/с, расстояние около 86 Мпк. При малом красном смещении приближение v ≈ cz достаточно для такой оценки. Для больших z простая связь уже не подходит: нужно учитывать космологическую модель и историю расширения.
Ошибка — считать, что галактики разлетаются из одной точки пространства, а наша галактика находится в центре Вселенной. Такое представление возникает из-за образа взрыва, который часто используют для объяснения расширения. На самом деле речь идёт о росте расстояний между далёкими галактиками, и наблюдатель в другой галактике увидел бы сходную картину. Проверка: закон Хаббла не выделяет в пространстве особый центр.
Красное смещение иногда принимают за обычное изменение видимого цвета галактики. Но речь идёт не о том, что источник стал краснее из-за свойств поверхности или освещения: в спектре смещаются линии к большим длинам волн. Эту ошибку допускают из-за бытового значения слова «цвет». Проверяйте себя вопросом: сравниваются ли положения спектральных линий с их известными значениями?
Неверно полагать, что закон Хаббла задаёт одинаковую скорость удаления для всех галактик. Скорость зависит от расстояния: при одном и том же H₀ удвоение r даёт удвоение v. Путаница появляется, когда формулу воспринимают как утверждение о единой скорости расширения каждого объекта. Чтобы проверить ответ, сравните расстояния: более далёкой галактике должна соответствовать большая скорость в рамках закона.
Единицы H₀ нельзя трактовать как обычные км/с: это скорость, приходящаяся на мегапарсек расстояния. Ошибка часто возникает при механической подстановке чисел без проверки размерностей. Если H₀ задана в км/(с·Мпк), умножайте её на расстояние в Мпк, а не в других единицах без пересчёта. Тогда Мпк сократится и получится скорость в км/с.
Для понимания красного смещения нужны представления о длине волны и частоте: при увеличении длины волны частота уменьшается. Спектры излучения позволяют находить характерные линии, а эффект Доплера связывает их смещение с движением источника. Закон Хаббла удобно изучать через понятие скорости и график линейной зависимости: наклон прямой отражает H₀. Эти знания помогают оценивать расстояния и подготавливают к изучению возраста Вселенной, её эволюции и космологических моделей.
Как астрономы узнают, что далёкая галактика удаляется?
В спектре галактики сравнивают положения линий с известными лабораторными значениями. Если линии смещены к большим длинам волн, это указывает на удаление источника. По величине смещения можно оценить скорость, особенно для небольшого красного смещения.
Почему красное смещение свидетельствует о расширении Вселенной?
Свет далёких галактик приходит с увеличенными длинами волн, что связано с увеличением расстояний в расширяющейся Вселенной за время распространения света. Наблюдения многих галактик показывают согласованную картину: более далёкие объекты обычно имеют большее красное смещение. Для отдельных близких галактик движение может отличаться из-за местного притяжения.
Что показывает постоянная Хаббла?
Постоянная Хаббла H₀ задаёт коэффициент пропорциональности между скоростью удаления галактики и расстоянием до неё. Величина около 70 км/(с·Мпк) означает, что на каждый мегапарсек расстояния скорость в среднем возрастает примерно на 70 км/с. Это значение характеризует темп расширения в современную эпоху.
Почему чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется?
При расширении растут расстояния между удалёнными друг от друга галактиками. Чем больше промежуток между нами и галактикой, тем больше пространства расширения приходится на этот промежуток, поэтому скорость увеличения расстояния выше. Эта средняя зависимость выражается законом Хаббла.
Расширяется ли сама галактика вместе со Вселенной?
Обычно нет: гравитация удерживает звёзды и другие объекты галактики связанными, поэтому её размеры не растут просто из-за космологического расширения. Расширение заметно прежде всего на больших расстояниях между галактиками, которые не связаны друг с другом гравитационно. Внутри галактик действуют местные силы и движения.
§95. Расширяющаяся Вселенная
