Содержание
Закон всеобщего разбегания галактик
В 1929 г. Хаббл уведомил общественность об открытии им фундаментального правила. Он обнаружил, что линии спектров всех галактик, за исключением нескольких галактик из числа самых близких, смещены в красную сторону. Но этим ещё не исчерпывалось открытие.
Выяснилось, что чем в среднем слабее галактика, тем сильнее смещены в красную сторону линии её спектра. А так как слабый блеск галактики, вообще говоря, свидетельствует в пользу её большей удалённости, то можно сделать вывод, что чем дальше находится галактика, тем сильнее смещён её спектр в красную сторону.
Исследовав вопрос подробно, Хаббл установил, что красное смещение в излучениях галактик пропорционально расстоянию до них.
Сначала этот принцип был установлен для ярких и, следовательно, сравнительно близких галактик. Но затем в 1936 и 1953 гг. Хаббл показал, что она справедлива для всех галактик, в результате чего обнаруженная закономерность приобрела характер всеобщего закона.
Он называется законом красного смещения спектров галактик, а иногда законом Хаббла, и является одним из фундаментальнейших принципов Вселенной, одним из основных в природе.
Но можно ли утверждать, что красное смещение спектров галактик есть следствие эффекта Доплера, то есть что вызывается удалением галактик?
Судя по формуле Хаббла
υ = Hr (где υ – скорость галактики, H – некоторый коэффициент пропорциональности, который в честь Хаббла принято обозначать первой буквой его имени Hubble, r – расстояние до галактики), галактики разбегаются со скоростями, пропорциональными их расстояниям.
Если одна из них расположена в 100 раз дальше, чем другая, то она и удаляется от нас в 100 раз быстрее. Однако нужно понимать, что данный закон верен только при условии, что причиной смещения спектров служит эффект Доплера, чего нельзя доказать наблюдениями.
Хотя данный эффект нельзя считать строго доказанным, но ввиду отсутствия других удовлетворительных объяснений, разумно полагать, что красное смещение спектров галактик действительно вызывается их удалением.
Если бы весь видимый мир сформировался в результате колоссального взрыва и галактики образовались из вещества, разбросанного им, то те из них, которые возникли в частях материи, получивших в момент катаклизма бо́льшую скорость, должны были бы к настоящему времени удалиться дальше, в соответствии с законом Хаббла.
Поскольку всё обозреваемое пространство заполнено галактиками и никаких иных тел, отклоняющихся от закона Хаббла, не обнаружено, то этот принцип можно интерпретировать как общее расширение видимой области Вселенной. Происходит равномерное изотропное (одинаковое по всем направлениям), расширение пространства, повлёкшее удаление друг от друга объектов, в нём находящихся.
Расширение Вселенной
Часть астрономии, изучающая свойства Вселенной в целом, называется космологией. Её теоретические базисы, заложенные А. Эйнштейном, строятся на двух основных явлениях, которые можно наблюдать.
Наблюдаемые явления:
- Галактики и их скопления одинаково распределены по небу, если не брать во внимание зоны избегания, порождённой поглощающей свет материей нашей Галактики.
- Закон разбегания в разные стороны галактик со скоростями, пропорциональными их расстояниям.
Расширение происходит по законам релятивистской механики А. Эйнштейна, но некоторые стороны процесса понятны и в представлениях обыденной для нас ньютоновской механики.
Чем выше средняя плотность материи во Вселенной, тем с меньшей скоростью разлетаются галактики. Если при данной скорости разбегания галактик плотность материи достаточно велика, то под действием гравитационных сил расширение может остановиться и смениться сжатием.
Если же плотность мала, следовательно, гравитационные силы слабы, то экспансия никогда не закончится, Вселенная будет расширяться безразмерно и средняя плотность вещества в ней будет стремиться к нулю.
Существует, очевидно, некое критическое значение средней плотности материи – ρ0. Если при принятом в настоящий момент значении константы Хаббла средняя плотность вещества во Вселенной больше ρ0, то в дальнейшем расширение сменится сжатием, если равно ρ0 или меньше его, то возрастание будет длиться вечно.
Так же не сходятся с нашими представлениям законы геометрии, которым подчиняется Вселенная с плотностью материи, большей значения ρ0. Они разнятся с законами евклидовой геометрии. Если средняя плотность оказывается равной критическому значению ρ0, в этом случае (крайне маловероятным) на всё трёхмерное пространство Вселенной распространяются законы евклидовой геометрии.
Если же в мире реализовался третий случай, когда средняя плотность материи меньше ρ0, то в пространстве бесконечно расширяющейся открытой Вселенной должны работать закономерности геометрии Лобачевского.
Модель Вселенной
В какой же Вселенной мы живём – открытого или закрытого типа?
При значении константы Хаббла 65 км/c·Мпс критическая плотность материи ρ0 = 8·10 –30 г/см3. Нужно определить, больше или меньше этой цифры реальная средняя плотность вещества во Вселенной.
Величины, которые удаётся установить, лежат в диапазоне от 2·10 –31 до 5·10 –31 г/см3, то есть речь идёт о плотностях, более чем в 10 раз уступающим критической платности материи. Значит, что Вселенная безгранично расширяется и открыта.
Закон Хаббла можно считать настоящей революцией в науке. Он пролил свет на происхождение и возраст Вселенной.
Часто спрашивают
При определении константы H важную роль сыграла галактика NGC 4321. В итоге всех исследований учёный пришёл к значению всемирной константы H = 540 км/с / мегапарсек. Следовательно, темп расширения пространства таков, что точка (галактика), находящаяся на расстоянии в 1 Мпс, удаляется со скоростью 540 км/с, точка на расстоянии 2 Мпс удаляется со скоростью 1080 км/с и т.д.
Гипотеза «старения кванта» состоит в том, что фотоны при своём движении в пространстве частично теряют энергию, заключённую в них. Энергия частицы света имеет обратную зависимость от длины волны. Поэтому, чем дольше фотон «гуляет», тем длина волны становится больше и весь спектр далёкого тела передвигается в красную сторону. На малых и средних дистанциях эффект старения кванта невелик, поэтому он работает только в спектрах весьма отдалённых объектов – других галактик.
Ещё одна теория состояла в конкретизации причины «старения кванта». Потеря энергии фотоном вызывается взаимодействием с другими частицами света, движущимся по всевозможным плоскостям. Чем большее расстояние проходит фотон, тем больше столкновений он делает, тем больше будет смещение спектра галактики в красную сторону. Слабость этой гипотезы в том, что она противоречит закону сохранения энергии. Если фотон избавился от части энергии, передавая её другим частицам, то такая передача должна изменять направления движения фотона. По причине этого фотографиям далёких галактик следовало бы быть размытыми, что противоречит наблюдениям и изображениям.
Из того, что притяжение отдельных частей Вселенной препятствует её расширению, следует, что оно в прошлом происходило быстрее и, вероятно, в возраст Вселенной нужно внести поправку – уменьшить его. Чем больше плотность вещества, тем сильнее уменьшение скорости и тем существеннее должна быть поправка. Согласно расчётам Хаббла, 2,5 млрд лет назад произошёл взрывной процесс, сделавший наблюдаемую Вселенную такой, какой мы её знаем сейчас.
Это довольно трудная задача. Необходимо посчитать массы галактик, найти среднее число оных в единице объёма, учитывать долю диффузного межзвёздного вещества в общей плотности материи, а может быть, и вклад твёрдых тел, таких как планеты и астероиды.
Вовсе нет.
