3. Расширение Вселенной и гипотеза Большого взрыва

Определения и обозначения

Расширение Вселенной — увеличение расстояний между далёкими галактиками со временем. Галактики не обязаны лететь через неподвижное пространство, как осколки после взрыва: увеличивается само пространство между большими скоплениями. Это понятие нужно, чтобы описывать крупномасштабное движение Вселенной.

Закон Хаббла выражает зависимость скорости удаления галактики от расстояния до неё: v = H₀r. Здесь v — скорость удаления, r — расстояние, а H₀ — постоянная Хаббла. Закон позволяет по известному расстоянию оценить скорость или, наоборот, приблизительно найти расстояние.

Красное смещение — увеличение длины волны света далёкого объекта, из-за которого линии его спектра сдвигаются к красному краю. Оно показывает, что источник удаляется от наблюдателя, если учесть явление Доплера и расширение пространства. По величине смещения оценивают скорость удаления галактики.

Гипотеза Большого взрыва — представление о том, что в далёком прошлом Вселенная находилась в очень горячем и плотном состоянии, а затем начала расширяться. Это не описание взрыва в конкретной точке пространства. Гипотеза нужна, чтобы объяснить наблюдаемое расширение, реликтовое излучение и состав вещества Вселенной.

Как это устроено

Свет галактики содержит спектральные линии — участки определённых длин волн, связанные с атомами и ионами. Сравнивая их с линиями тех же веществ в лаборатории, астрономы видят, что у многих галактик линии смещены к большим длинам волн. Такое красное смещение означает удаление источника, поскольку при движении от наблюдателя волны приходят более «растянутыми». Чем быстрее удаляется галактика, тем заметнее этот сдвиг.

У далёких галактик красное смещение обычно больше не потому, что все они движутся от одной особой точки. При расширении пространства свет проходит через всё увеличивающиеся промежутки, и его длина волны дополнительно растягивается. Чем дольше свет находится в пути и чем дальше объект, тем сильнее проявляется этот эффект. Поэтому большое расстояние обычно соответствует большой скорости удаления и большему красному смещению.

Расширение заметно на огромных расстояниях между галактиками, но не обязано растягивать саму галактику. Внутри неё звёзды удерживаются гравитацией, а в Солнечной системе планеты связаны притяжением Солнца. Эти силы сильнее эффекта космологического расширения на таких малых масштабах. Поэтому увеличиваются главным образом расстояния между гравитационно не связанными системами.

Эдвин Хаббл сопоставил расстояния до галактик с измеренными по спектрам скоростями их удаления. Данные показали приблизительную прямую пропорциональность: v = H₀r. Значит, если расстояние увеличить в два раза, то в простейшей оценке во столько же раз возрастёт скорость удаления. Закон применяют прежде всего к далёким галактикам, потому что близкие объекты могут иметь заметные собственные движения.

Наблюдательные признаки расширения Вселенной и гипотезы Большого взрыва

Таблица связывает наблюдаемый признак с выводом, который из него делают. Сначала полезно определить, что именно измерено, а затем посмотреть, какую идею это поддерживает. Закон Хаббла даёт количественную связь, а остальные пункты помогают понять историю Вселенной.

Разбор задач

Скорость удаления по расстоянию

Галактика находится на расстоянии 50 Мпк, а постоянная Хаббла равна 70 км/(с·Мпк). Нужно найти скорость её удаления по закону Хаббла. Расстояние уже выражено в мегапарсеках, поэтому дополнительные преобразования единиц не нужны.

1. Записываем закон: v = H₀r.
2. Подставляем значения: v = 70 км/(с·Мпк) · 50 Мпк.
3. Сокращаем Мпк и вычисляем: v = 3500 км/с.

Ответ: скорость удаления галактики примерно равна 3500 км/с. Это оценка по закону Хаббла, а не описание всех особенностей её движения.

Расстояние по скорости удаления

Скорость удаления галактики равна 5600 км/с, а H₀ = 70 км/(с·Мпк). Теперь неизвестно расстояние, поэтому преобразуем формулу так, чтобы r осталось слева. Единицы скорости в числителе и в постоянной Хаббла совпадают.

1. Из v = H₀r выражаем расстояние: r = v/H₀.
2. Подставляем числа: r = 5600 / 70 Мпк.
3. Выполняем деление: r = 80 Мпк.

Ответ: расстояние до галактики примерно 80 Мпк. При подстановке результата обратно получаем 70 · 80 = 5600 км/с.

Оценка возраста по постоянной Хаббла

Для грубой оценки характерного времени расширения используют t ≈ 1/H₀. Сначала нужно перевести H₀ в единицы СИ, иначе обратная величина не получится в секундах. Используем 1 Мпк ≈ 3,086 · 10²² м и 1 км = 1000 м.

1. Переводим постоянную: H₀ ≈ 70 000 м/(с · 3,086 · 10²² м) ≈ 2,27 · 10⁻¹⁸ с⁻¹.
2. Берём обратную величину: t ≈ 1/(2,27 · 10⁻¹⁸) ≈ 4,4 · 10¹⁷ с.
3. Переводим секунды в годы: t ≈ 14 млрд лет.

Ответ: характерное время расширения имеет порядок 14 млрд лет. Это не точный возраст, потому что скорость расширения менялась, а формула 1/H₀ является упрощённой оценкой.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Представлять Большой взрыв как обычный взрыв из одной точки в уже готовом пространстве. Так думают из-за знакомого образа взрыва, но в космологии расширяется само пространство. Проверка: не ищите центр расширения и внешнюю пустоту, в которую что-то разлетается.

Ошибка 2. Считать, что все объекты обязаны удаляться друг от друга. Гравитационно связанные системы, например галактика, Солнечная система или планетная система, не растягиваются заметно. Проверка: уточните масштаб и сравните космологическое расширение с силами связи.

Ошибка 3. Путать красное смещение с красной окраской галактики. Речь идёт не о том, какого цвета объект выглядит, а о сдвиге линий в его спектре. Проверка: ищите изменение измеряемых длин волн, а не визуальный оттенок изображения.

Ошибка 4. Подставлять числа в закон Хаббла без проверки единиц или применять его к близким связанным объектам. Из-за этого можно получить неверное число или физически бессмысленный вывод. Проверка: убедитесь, что r указано в Мпк при H₀ в км/(с·Мпк), и что объект подходит для такой оценки.

Связь с другими темами

Для понимания красного смещения нужны свойства света, длина волны, спектр и явление Доплера. Эти знания объясняют, как по линиям спектра делают вывод о движении источника. Без них наблюдаемое смещение осталось бы только изменением положения линий.

Тема связана с гравитацией и движением небесных тел. Гравитация объясняет, почему галактики и планетные системы сохраняют связанность, несмотря на расширение пространства между далёкими объектами. Поэтому важно различать космологическое расширение и обычное движение тел.

Дальше эти знания пригодятся при изучении галактик, реликтового излучения, эволюции звёзд и современной космологии. Расширение помогает восстанавливать прошлое Вселенной и проверять модели её развития. Наблюдения становятся основой выводов о возрасте, составе и раннем состоянии космоса.

Что запомнить

• Вселенная расширяется: расстояния между далёкими галактиками увеличиваются.
• Красное смещение свидетельствует об удалении многих галактик.
• Чем дальше галактика, тем больше скорость её удаления.
• Закон Хаббла записывают как v = H₀r.
• Большой взрыв — это не взрыв вещества в пустом пространстве, а начало расширения горячей плотной Вселенной.
• Реликтовое излучение является важным подтверждением горячего раннего состояния Вселенной.