ПОСТОЯННАЯ ХАББЛА
И ЭВОЛЮЦИЯ СТАЦИОНАРНОЙ ВСЕЛЕННОЙ
Рассмотрен физический смысл параметра Хаббла и вытекающие из него следствия. Показано, что эволюция Вселенной может быть описана в рамках стационарной модели, если параметр Хаббла преобразовать в ускорение скорости расширения видимой части Вселенной, а гравитационную постоянную интерпретировать как ускорение скорости увеличения удельного объема пространства Вселенной с момента разделения первичной (и неизвестной нам) формы существования материи на вещество и пространство. Соответственно, формула Хаббла будет определять не скорость удаления объекта от наблюдателя, а разницу в скоростях распространения электромагнитных волн между современной эпохой и тем временем, когда измеряемое нами излучение покинуло тот или иной объект.
В 1929 году американский адвокат и выдающийся астроном Эдвин Хаббл выдвинул предположение о том, что звезды, находящиеся за пределами нашей галактики, удаляются от нас с огромной скоростью. Это предположение было основано на многочисленных измерениях величин красного смещения в спектрах далеких от нашей галактики цефеид и представлениях Христиана Допплера о непосредственной связи изменения длин световых волн со скоростью и вектором движения источника излучения. Обнаружив, что смещение спектральных линий одних тех же элементов в спектрах внегалактических объектов в красную сторону пропорционально расстоянию до этих объектов, Хаббл заключил, что чем дальше находится источник излучения, тем больше скорость его удаления, равно как и скорость удаления Земли от наблюдаемого нами объекта. Так возникло представление о расширяющейся Вселенной, согласно которому несколько миллиардов лет назад в результате так называемого большого взрыва (по образному определению причины расширения одним из критиков данной гипотезы Фреда Хойла, и автору этой примитивной модели устройства Вселенной американскому гражданину русского происхождения Георгию Гамову) в какие-то доли секунды в неизвестной точке не существовавшего еще пространства и неизвестно из чего образовалось все вещество Вселенной. Оценкой скорости расширения Вселенной является постоянная Хаббла, определяющая степень приращения скорости удаления космических объектов друг от друга с увеличением расстояния между ними.
В настоящей работе показано, что постоянная Хаббла, если придать ей обычную для физических величин размерность, работает не только за пределами нашей галактики, но и внутри последней. Однако никакого расширения Вселенной при этом не происходит.
Формула Хаббла для расширяющейся Вселенной проста:
где V – скорость удаления от наблюдателя того или иного космического объекта (равно как и наблюдателя от того же объекта) в км/с , r – расстояние до объекта, измеряемое в мегапарсеках, – постоянная Хаббла, имеющая размерность (км /с )/Мпк . Принято, что мегапарсек равен 3,26 миллионам световых лет, а световой год – 3,1536 · 107 секундам и соответствует расстоянию, которое проходит свет за один год. Точное численное значение постоянной Хаббла, из-за отсутствия возможности непосредственного измерения расстояний между космическими объектами, трудно поддается расчету и постоянно уточняется. По последним данным, полученным с орбитального телескопа Хаббл, численное значение этого параметра составляет примерно 70 (км /с )/Мпк , хотя в разных источниках приводятся различные величины данного параметра – от 50 до 100 (км /с )/Мпк . В 2007 году планируется запуск космического телескопа нового поколения Планк, что позволит измерить параметр Хаббла, по замыслу авторов этого проекта, с точностью около ± 5 (км/с )/Мпк .
Физический смысл постоянной Хаббла можно интерпретировать по разному. Если мегапарсек в размерности этого параметра перевести в километры пройденного светом пути, как это практикуется во всех учебных пособиях и специальной литературе, то будет означать возраст Вселенной. Если же мегапарсек представить в секундах, что не противоречит заложенной в нем размерности исчисления времени, то получим ускорение:
с которым должна расширяться наша Вселенная. Последний вариант интерпретации физического смысла постоянной Хаббла почему-то замалчивался в литературе на протяжении многих лет – со времени появления данного понятия. Считалось, что расширение Вселенной происходит с постоянной скоростью. И только в 1998 году, когда были получены новые данные по некоторым наиболее отдаленным от нас квазарам, научная общественность признала, что Вселенная обладает определенными признаками ускоренного расширения пространства.
Допустим, что наша Вселенная действительно расширяется с некоторым ускорением. Тогда, зная скорость расширения пространства в настоящее время, можно оценить возраст Вселенной. Если учесть, что пространство обладает свойством электромагнитного поля, лучевая скорость распространения которого в настоящее время равна скорости света , то возраст Вселенной составит:
что идентично обратной величине параметра Хаббла, если мегапарсек времени пересчитать в километры пройденного светом пути при существующей его скорости. Такой, на первый взгляд, парадокс объясняется тем, что в последнем случае радиус видимой части Вселенной R , выраженный в абсолютных величинах, оказывается в два раза большим по сравнению с тем расчетом, который предполагает ускоренное прохождение светового сигнала:
а) при ускоренном прохождении светового сигнала R = ½g(H ) · t 2 = 6,5999 · 1022 км ;
б) при постоянстве скорости света R = V c · t = 13,1989 · 1022 км .
Таким образом, мы невольно приходим к выводу о том, что скорость света не является конечной скоростью распространения электромагнитных волн, а постоянно увеличивается с ускорением g (H ) = 6,80885 · 10–8 см/с 2. Так, с каждым столетием скорость света увеличивается на 2,147 м /с и через 9 лет она достигнет величины км/с , что может явиться веским аргументом для того, что бы "ЮНЕСКО" объявила этот год "годом Света".
Далее следует определиться с понятием "расширение Вселенной", поскольку в современной литературе нет однозначного определения последнему. С точки зрения гипотезы большого взрыва оно трактуется как раздвижение вещества или разбегание галактик (по образному описанию этого процесса космологами) с определенной скоростью на увеличивающейся в диаметре сфере пространства, в центре которой произошел большой взрыв. В итоге остается лишь догадываться, о какой скорости расширения Вселенной идет речь при каждом употреблении этого термина – о скорости раздвижения вещества на расширяющейся после взрыва сфере пространства, где якобы сосредоточено все вещество Вселенной, или о скорости приращения радиуса этой сферы от неизвестно где расположенной точки взрыва, которая рассматривается современной теорией как центр тяжести Вселенной?
Очевидно, что формула Хаббла работает в трехмерном пространстве, так как эффект от явления красного смещения одинаков во всех направлениях звездного неба. Однако интерпретация закона в современной литературе оказывается совсем другой – увеличение скорости раздвижения вещества пропорционально увеличению расстояния между объектами рассматривается лишь как результат расширения воображаемой сферы пространства, что ограничивает наши представления об окружающем мире двумерным образом. При этом никто и никогда не объяснил, что же должно находиться вне и внутри этой сферы, согласно данной теории, и каков радиус этой сферы. Самым неудачным следствием гипотезы большого взрыва является необходимость признания факта существования во Вселенной центра тяжести, от которого зависит наше будущее: если плотность Вселенной превышает некий критический предел (порядка 10–29 г/см 3), то расширение пространства должно смениться его сжатием, если же этот предел не достигнут, расширение будет происходить бесконечно долго. Налицо очевидный парадокс – закон Хаббла справедлив для любой произвольно выбранной точки пространства, а центром расширения этого пространства (по крайне мере той его части, которая доступна наблюдению) является одна-единственная и неизвестно где расположенная точка первоначального взрыва.
Мне больше импонирует представление о бесконечном строении Вселенной и относительно равномерном (или не очень) распределении вещества в пространстве, когда расширяться этому пространству некуда и незачем. Понятно, что в этой модели центр тяжести Вселенной отсутствует. В этой же модели закон Хаббла работает в любом направлении, если постоянную Хаббла понимать как ускорение скорости света или лучевой скорости расширения видимой части Вселенной, т. е. радиуса доступной для обозрения части Вселенной относительно произвольно выбранной точки пространства.
В результате рассчитанный выше возраст Вселенной знаменует собой не возникновение вещества из ничего с последующим раздвижением этого вещества на некой расширяющейся шарообразной сфере пространства относительно неизвестно где расположенной точки большого взрыва, а акт разделения первичной (доисторической и недоступной для созерцания) материи на вещество и пространство с одновременным приобретением веществом свойства гравитации, а пространством – свойства электромагнитного поля. Возраст Вселенной – это радиус того объема пространства, который доступен наблюдению из любой точки Вселенной. Но далее 14 миллиардов световых лет мы ничего не увидим: за этим горизонтом находится наше недосягаемое прошлое – первичная материя. Однако это вовсе не означает, что в настоящее время эта материя там присутствует. В настоящее время мир за этим горизонтом выглядит точно так же, как и вокруг нас, но мы узнаем об этом лишь через несколько миллиардов лет, когда расширится горизонт видимой части Вселенной и свет от ее окраин достигнет Земли.
Очевидно, что при ускоренном распространении электромагнитных волн в пространстве скорость отрыва световых сигналов от наблюдаемых нами космических объектов должна уменьшаться пропорционально степени удаленности этих объектов от Земли. Соответственно, время прохождения светового сигнала от наблюдаемого нами космического объекта до Земли определяется выражением:
определяя не скорость удаления объекта от наблюдателя, а разницу в скоростях распространения электромагнитных волн между современной эпохой и тем временем, когда измеряемое нами излучение покинуло тот или иной объект. При такой интерпретации закона постоянная Хаббла (с изначально принятой размерностью) становится показателем степени приращения скорости распространения электромагнитных волн в пространстве относительно того или иного космического объекта, расположенного далеко за пределами нашей галактики.
Далее обратимся к гравитационной постоянной G = 6,6726·10–8 см 3/ (г ·с 2). Соизмеримость ее численного значения с постоянной Хаббла (в форме ускорения скорости света) наводит на вполне определенные размышления. Если это совпадение неслучайно, то оба параметра имеют одну и ту же природу. Физический смысл постоянной Хаббла понятен. Что касается гравитационной постоянной, то ее принято рассматривать изначально как некий коэффициент пропорциональности в эмпирически установленном законе природы, и не более того. Попробуем придать этому коэффициенту конкретный физический смысл. В продолжение высказанного выше предположения о разделении несколько миллиардов лет назад первичной материи на вещество и пространство допустим, что гравитационная постоянная, учитывая ее размерность, соответствует, с одной стороны, ускорению скорости приращения удельного объема пространства в процессе эволюции Вселенной, а с другой, – ускорению скорости сокращения удельного объема находящегося в этом пространстве вещества . Понятно, что под "веществом" следует понимать не окружающие нас предметы или космические объекты как таковые, а те элементарные частицы, из которых они сложены, т. е. атомы. Последний аспект проблемы является предметом специальных исследований и здесь не рассматривается.
Исторически сложилось так, что закон Ньютона для отдельно взятого тела интерпретируется как закон, который определяет лишь поведение материальной точки за пределами этого тела – он определяет величину ускорения силы тяжести в данной точке в зависимости от массы тела m и расстояния R до его центра тяжести. В таком прочтении закона физический смысл гравитационной постоянной заключается в том, что она является ускорением скорости сокращения удельного объема пространства (внутри описанной через данную точку сферы) с учетом массы находящегося в этом объеме вещества. Величина ускорения g , зависящая от отношения m /R 2, в этом случае будет расти пропорционально уменьшению радиуса воображаемой сферы, поскольку масса системы остается неизменной.
В условиях пространства (вакуума) центра тяжести нет. Поэтому для прочтения закона Ньютона применительно к вакууму в качестве точки отсчета можно выбрать любую точку в пространстве и представить себе, что она является источником электромагнитного излучения. Расходящиеся от нее электромагнитные волны в виде воображаемых сфер будут увеличивать радиус видимого объема пространства. Очевидно, что для определения ускорения лучевой скорости расширения видимой части пространства, необходимо знать численное значение отношения массы к квадрату радиуса этого объема, которое должно оставаться постоянным на протяжении всего процесса, т. е. численное значение отношения m /R 2 в формуле Ньютона. Понятно, что только при m /R 2 = const ускорение лучевой скорости приращения объема пространства на воображаемой поверхности его сферы всегда будет оставаться постоянным. При этом, чем дальше уйдет световой сигнал от точки его излучения, тем больше увеличится удельный объем пространства (от исходной величины) внутри воображаемой сферы. Таким образом, ускорение скорости света определяется только свойством пространства – константой m /R 2. Параметр Хаббла дает следующую величину этой константы:
Теперь возникает заманчивое предложение – почему бы ни допустить, что у пространства нашей Вселенной m /R 2 = 1 г/см 2, если точное значение параметра Хаббла неизвестно? В этом случае ускорение скорости света g = 6,6726·10–8 см/с 2, а численное значение постоянной Хаббла H 0 = 68,599 (км/с )/Мпк , что соизмеримо с последними оценками этого параметра. Соответственно, возраст Вселенной составитлет.
Если "расширение" Вселенной реализуется путем увеличения радиуса видимой ее части и удельного объема пространства, что тождественно уменьшению его плотности, то никакого раздвижения вещества в этом пространстве не происходит, и нет никакой необходимости привлекать гипотезу о некогда произошедшем взрыве – его просто не было. В противном случае мы бы не наблюдали такое распространенное в далеком космосе явление, как столкновение (или слияние) галактик. Кроме того, участие вещества в процессе расширения (при условии возникновения этого расширения в результате первоначального взрыва) предполагает признание факта удаления от нас галактик, расположенных на окраинах видимой части Вселенной, со скоростью света, что противоречит здравому смыслу. По-моему, следует признать, что наблюдаемая нами Вселенная, включая вещество и пространство, вовсе не расширяется – увеличивается лишь удельный объем пространства и радиус видимой части Вселенной, а плотность пространства – уменьшается. При этом плотность энергии вакуума (пространства) остается постоянной и не зависит ни от возраста Вселенной, ни от скорости света:
В настоящее время радиус видимой части Вселенной из любой ее точки составляет (при m /R 2 = 1 г /см 2):
или 4370,216 Мпк в новом его исчислении, т. е. с учетом ускорения скорости света, а удельный объем вакуума:
Соответственно, плотность вакуума будет равна обратной величине удельного объема – 
а плотность энергии вакуума – В принципе, если появится когда-нибудь возможность непосредственного определения плотности космического вакуума инструментальным путем, то станет возможным точное определение постоянной Хаббла и константы m
/R
2 для пространства нашей Вселенной.
Если наши предположения о распространении света с некоторым ускорением соответствуют действительности, то реальные параметры светового года, как единицы измерения расстояний (в обычных для физических величин размерностях) до наблюдаемых нами космических объектов, будут уменьшаться пропорционально степени отдаленности последних от наблюдателя. Поэтому рассчитанный выше радиус видимой части Вселенной оказывается в два раза меньше, чем при условии, когда скорость света является постоянной величиной. В результате следует признать, что мы наблюдаем гораздо меньший объем окружающего нас пространства, чем это считалось ранее. Более того, нам пока не известна величина исходного удельного объема пространства, с которого начался процесс его увеличения и, соответственно, – первоначальная скорость распространения электромагнитных волн. Следовательно, обозреваемая нами Вселенная оказывается еще более ограниченной в пространстве. Может быть, поэтому наши приборы способны регистрировать находящиеся на окраинах видимой части Вселенной объекты?
Теперь вернемся к явлению красного смещения спектральных линий всех элементов в спектрах далеких звезд, которое было воспринято Эдвином Хабблом как результат расширения Вселенной.
Действительно, в пределах нашей галактики по величине и направлению смещения спектральных линий отдельных элементов в спектрах различных объектов удается определять их относительную скорость движения и моделировать структуру всей галактики в целом. Более того, эффект Допплера позволяет достаточно надежно оценивать скорости вращения Солнца, ближайших к нам звезд и целых галактик. Однако на очень больших расстояниях в смещении спектральных линий доминирует вторая составляющая данного эффекта – увеличение длин волн от далеких источников их излучения по мере приближения этого излучения к Земле в связи с общим ускорением скорости света. Соответственно, следует признать, что частоты доходящих до нас электромагнитных волн, которые идентифицируются по лабораторным, т. е. современным, аналогам, – меньше частот последних и эта разница тем больше, чем дальше от нас находится источник излучения. Иными словами, частоты колебаний всех элементов в далеком прошлом были меньше частот колебаний тех же элементов в настоящее время. Следовательно, частота электромагнитного излучения, как и скорость его распространения, является функцией времени, равно как и возраста пространства.
Соотношения между частотами и скоростями распространения электромагнитных волн в разных исторических эпохах существования Вселенной в зависимости от абсолютных (∆λ ) или относительных (z = ∆λ /λ ) величин красного смещения могут быть получены исходя из следующих соображений.
Электромагнитное излучение от далекого космического объекта с частотой
У современного аналога источника излучения частота колебаний составляет:
а при объединении выражений (5) и (6) получим частоту этого излучения:
позволяющее рассчитывать расстояние r (в Мпк ) до наблюдаемого нами объекта по величине красного смещения ∆λ или z :
|
|
Например, наиболее отдаленные от нас квазары с красным смещением z = 6,56 должны находиться на расстоянии 3792,146 Мпк от Земли, а стартовая скорость отрыва света от них должна составлять 39655,047 км/с .
В свете изложенного, реликтовое излучение, интенсивность которого одинакова во всех направлениях звездного неба и факт обнаружения которого считается главным аргументом в пользу гипотезы о некогда произошедшем большом взрыве, можно рассматривать как результирующий эффект от излучения газообразной оболочки примитивного вещества, по-видимому, того же водорода , примыкающей к краю видимой части Вселенной, где скорость света составляет порядка 97 км/с , а возраст Вселенной – около 4,6 миллионов лет. Эти оценки соответствуют 2 мм длин волн фонового излучения при условии, что источником данного излучения является водород. Очевидно, что со временем длина волн фонового излучения будет расти пропорционально увеличению скорости света и радиуса видимой части Вселенной. Таким образом, "шелест" реликтового излучения, по очень удачному определению этого явления американским астрономом Стивеном Мараном, отражает завершающую стадию формирования вещества на окраинах расширяющегося объема видимой части Вселенной, где это вещество по неизвестным нам причинам начинает взаимодействовать с пространством, и результат этого взаимодействия мы обнаруживаем в настоящее время.
В заключение несколько слов о перспективах проекта Планк в отношении более точного определения значения постоянной Хаббла инструментальными методами . Если эффект Допплера обусловлен двумя причинами – относительной скоростью движения и предполагаемым нами ускоренным распространением электромагнитных волн во времени, то эти надежды, по-видимому, не могут быть реализованы в полной мере, поскольку неизвестны относительные скорости и направления векторов движения тех источников излучения, которые обычно используются в подобных экспериментах (в астрофизике их называют индикаторами расстояний).
Так, при небольших расстояниях между источником излучения и наблюдателем, когда V 0 ≈ V c, величина смещения спектральной линии ∆λ 1 от движущегося объекта определяется скоростью его движения Vоб :
При значительных расстояниях к этой величине добавляется вторая составляющая в соответствии с (7):
которая определяется степенью отдаленности этого объекта от наблюдателя. Очевидно, что чем дальше от наблюдателя будет находиться источник излучения, тем более весомым будет вклад ∆λ 2 в итоговое значение величины красного смещения спектральных линий:
Отсюда следует, что скорость удаления наблюдаемого объекта, которая рассчитывается обычно по всей величине красного смещения, имеет более сложную зависимость:
и определить ее можно лишь, зная расстояние до этого объекта.
Например, при неподвижном нахождении, относительно наблюдателя, источника излучения, красное смещение зеленой линии водорода (λ = 4861 Å = 4,861·10–5 см ) на 100 Å означает, что стартовая скорость отрыва света от него составляет 0,97984Vc , а время прохождения сигнала – 88,091 Мпк . Если же мы уверены, что этот объект расположен ближе, скажем, на расстоянии 80 Мпк , то 90,64 Å в величине красного смещения той же линии водорода должно приходиться на время прохождения светового сигнала до Земли, а 9,36 Å – на удаление от нас наблюдаемого объекта со скоростью 565,62 км/с . Если тот же объект расположен дальше, например, на расстоянии 90 Мпк , то при соответствующей этому расстоянию скорости света в 0,9794Vc , красное смещение должно быть 102,21 Å. Следовательно, данный объект приближается к нам со скоростью 133,49 км/с , что проявляется в уменьшении ожидаемой величины красного смещения зеленой линии водорода на 2,21 Å.
Что касается размера исходного удельного объема пространства (равно как и плотности вакуума), с которого начался процесс его расширения, и каков механизм формирования вещества, то ответы на эти вопросы следует искать, по-видимому, в гравитационных линзах и наиболее удаленных от нас квазарах, – с максимальными величинами красного смещения. Не исключено, что исходный удельный объем пространства связан с реликтовым излучением, длина волн которого, если рассматривать ее как величину красного смещения характеристических линий водорода, определяет первоначальную скорость света и, соответственно, – исходную плотность вакуума. С этих позиций определенный интерес представляет установленное недавно явление анизотропии реликтового излучения, свидетельствующее, по-видимому, о существовании в "доисторическую" эпоху Вселенной бесконечного количества доменов, расширение удельного объема пространства в которых начиналось с различными скоростями распространения электромагнитных волн.
Вполне очевидно, что изложенные выше представления о природе окружающего нас мира являются гипотезой, основанной на предположении об ускоренном характере распространения электромагнитного излучения в пространстве. Однако эти представления снимают известные трудности, связанные с интерпретацией величин красного смещения спектральных линий отдельных элементов в спектрах очень далеких от нас объектов, превышающих длины волн их современных аналогов, и не требуют привлечения для объяснения природы этого явления довольно громоздкого математического аппарата, в котором теряется не только физический, но и здравый смысл. По этим же представлениям мы избавляемся от непонятного для человеческого мышления факта существования в плоском пространстве и, что самое главное, – от не очень приятного ощущения, что наша Вселенная подобна тонкой оболочке воздушного шара , который постоянно расширяется по мере снижения давления в окружающем его пространстве, а мы все летим неизвестно куда с огромной скоростью от некой точки первоначального взрыва.
С помощью космического телескопа “Хаббл” астрономы в очередной раз совершили самые точные измерения скорости расширения вселенной. Интересно в этих исследованиях то, что их результаты вынуждают учёных предполагать, что они наблюдают доказательство чего-то неожиданного, что действует во вселенной.
А всё потому, что последнее открытие “Хаббла” подтверждает мучающее научное сообщество предположение о том, что сейчас вселенная расширяется быстрее, чем выходило по первоначальным расчётам. Исследователи говорят, что для объяснения этого несоответствия необходимо вводить некую новую физику.
“Научное сообщество действительно очень нуждается в понимании значения этого несоответствия”, – Адам Рисс, ведущий исследователь по теме и лауреат Нобелевской премии из Института исследования космоса с помощью космического телескопа.
Рисс и его команда работал с космическим телескопом “Хаббл” на протяжении шести лет. И всё это время они уточняли измерения расстояний до галактик, используя их звёзды в качестве маркеров. Эти исследования используются для того, чтобы вычислить, как быстро вселенная расширяется со временем. Это значение известно как постоянная “Хаббла”. Проведённое исследование уникально тем, что в нём анализировались звёзды на расстояниях в десять раз больших, чем во всех предыдущих работах.
Но значение, которое получил Рисс укрепляет несоответствие по сравнению с ожидаемым значением, которое получено по наблюдениям за расширением ранней вселенной, то есть спустя 378000 лет после Большого Взрыва. Сейчас общепринято, что именно в результате этого события возникла вселенная 13.8 миллиарда лет назад. Измерения по ранней вселенной проводил космический аппарат “Планк” Европейского Космического Агентства, он же создал карту распределения космического микроволнового фона – пережитка Большого Взрыва. Различия между этими двумя значениями составляют примерно 9 процентов. Новые измерения “Хаббла” даже снизили вероятность ошибки возникновения несоответствия до отношения 1 к 5000.
Эта иллюстрация показывает, как астрономы в три шага измеряли скорость расширения вселенной (постоянной Хаббла), уменьшив общую неопределённость до 2.3 процента. Источник: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)
Результаты “Планка” показали, что постоянная Хаббла теперь должна составлять 67 километров в секунду на мегапарсек. Это означает, что на каждые 3.3 миллиона световых лет от нас скорость галактик увеличивается на 67 километров в секунду. Но команда Рисса получила значение 73 километра в секунду на мегапарсек, что указывает на более быстрое перемещение галактик, чем это выходило по наблюдениям за ранней вселенной. Данные “Хаббла” настолько точны, что астрономы не могут принять такой разрыв между измерениями за какую-то ошибку в методе исследования.
“Оба результата были многократно проверены, мы просто не можем получить серию не связанных ошибок. Всё больше и больше вероятность того, что это не ошибка, а особенность вселенной”.
Объяснение странного несоответствия
Рисс в общих чертах обрисовал несколько возможных объяснений этому несоответствию, и все они связаны с 95-ю процентами вселенной, которая для нас скрыта во мраке. По одной версии тёмная энергия, которая, как сейчас известно, ускоряет космическое пространство, может расталкивать галактики друг от друга с ещё большей, или растущей, силой. Это означает, что само ускорение не может иметь постоянного значения во вселенной, но изменяется в течение длительного времени. Стоит отметить, что Рисс получил в 1998 году Нобелевскую премию как раз за открытие расширяющейся Вселенной.
Другая идея состоит в том, что вселенная содержит новую субатомную частицу, которая перемещается со скоростью, близкой к скорости света. Такие частицы в общем называют тёмным излучением, к ним относят известные ранее нейтрино, которые создаются в ядерных реакциях и при радиоактивных распадах. В отличие от нормального нейтрино, которое взаимодействует посредством субатомной силы, эта новая частица ощущает только воздействие гравитационной силы, поэтому её называют стерильным нейтрино. Ещё одна возможность, которая привлекает исследователей, состоит в том, что тёмная материя (невидимая форма материи, не состоящая из протонов, нейтронов и электронов) сильнее взаимодействует с нормальной материей или излучением, чем ранее предполагалось.
На этом изображении показаны две из 19 галактик, проанализированных в проекте уточнения постоянной Хаббла. NGC 3972 слева, NGC 1015 справа, они расположились на расстоянии 65 миллионов и 118 миллионов световых лет соответственно. Жёлтые круги в каждой галактике показывают положение пульсирующих звёзд класса цефеид. Источник: NASA, ESA, A. Riess (STScI/JHU)
У всех этих сценариев есть одно общее: любой из них подразумевает изменение состояния ранней вселенной, что неизбежно приведёт к несоответствиям в теоретических моделях. Эти несоответствия привели бы к неправильной постоянной Хаббла, которая получена именно из наблюдений за молодым космосом. Это значение тогда противоречило бы числу, полученному по наблюдениям “Хаббла”.
У Рисса и его коллег нет ещё ответов на эту животрепещущую проблему, но его команда продолжает работать над уточнением темпа расширения вселенной. Уже сейчас команде учёных удалось уточнить неопределённость 2.3 процента. До запуска “Хаббла” в 1990 году оценка постоянной Хаббла варьировалась в два раза. Одна из основных целей телескопа как раз и состояла в том, чтобы помочь астрономам сократить значение этой неопределённости к погрешности не более десяти процентов. С 2005 года группа была в поисках усовершенствования этой точности до тех значений, которые наверняка позволят лучше понимать поведение вселенной.
Надёжная шкала расстояний
Команда Рисса преуспела в уточнении значения постоянной Хаббла, оптимизировав и укрепив правильность своеобразной космической “лестницы” расстояний, которую астрономы используют, чтобы измерить точные расстояния до галактик, как близких к Земле, так и удалённых. Исследователи сравнили эти расстояния с расширением космического пространства, которое измеряется по удлинению волны света разлетающихся галактик. После этого удалось использовать видимую скорость разбегания галактик на каждом расстоянии, чтобы вычислить эту постоянную.
Но получить значение этой константы можно так точно, насколько позволяет точность измерений. Астрономы не могут воспользоваться линейкой, чтобы точно измерить расстояния между галактиками. Вместо этого был выбран специальный класс звёзд и сверхновых в качестве критериев и маркеров, соответствующих различным расстояниям.
Среди самых надёжных звёзд для более коротких расстояний выделяют цефеиды – пульсирующие звёзды, которые периодически увеличивают и уменьшают свою светимость. А сама их светимость соответствует их внутренней яркости. Поэтому легко можно вывести расстояния, на которых они расположились от нас, сравнив их собственную светимость с видимой.
Астроном Генриетта Суон Ливитт была первой, кто поняла полезность переменных цефеид для измерения расстояния во вселенной. Произошло это более ста лет назад в 1913 году. Но надо было сделать первый шаг и измерить точное расстояние до самой цефеиды. Для этого использовался основной геометрический метод в астрономии под названием параллакс. Параллакс – видимое изменение позиции объекта в зависимости от изменения точки расположения наблюдателя. Этот метод был изобретён древними греками, которые использовали его, чтобы измерить расстояние от Земли до Луны.
Самые свежие результаты “Хаббла” основываются на измерениях параллакса восьми цефеид, находящихся в Млечном Пути. Интересно здесь то, что эти звёзды расположены в десять раз дальше всех остальных, по данным которых измерялись расстояния. Они, также, пульсируют с большими интервалами, совсем как цефеиды, наблюдаемые в отдалённых галактиках и являющиеся другим надёжным критерием измерения расстояния – сверхновыми типа Ia. Сверхновые этого типа всегда взрываются с одинаковой светимостью и всегда достаточно ярки, чтобы их можно было заметить на больших расстояниях. В предыдущих исследованиях “Хаббл” изучал переменные цефеиды на расстояниях от 300 до 1600 световых лет от Земли.
Сканирование звёзд
Чтобы с помощью “Хаббла” измерить параллакс, исследователи должны измерить крошечные видимые отклонения цефеид по мере того, как Земля движется вокруг Солнца. Тогда, при смещении нашей планеты в сторону, изучаема\ цефеида будет отклоняться в сторону на фоне более удалённых объектов. Причём, это отклонение имеет значение в 1/100 размера пикселя телескопа, который за ним наблюдает. Это то же самое, что и попытаться изучить истинный размер песчинки, находясь от неё на расстоянии в 200 километров.
Поэтому, чтобы гарантировать точность измерений, астрономы разработали интересный метод, осуществление которого и не предполагалось во время запуска “Хаббла”. Исследователи изобрели метод сканирования, при котором телескоп измерял позицию звезды тысячу раз в минуту каждый шесть месяцев в течение четырёх лет.
Затем была откалибрована истинная яркость восьми медленно пульсирующих звёзд и коррелировала с их более далёкими родственниками, чтобы ещё больше сократить погрешность лестницы расстояний. После исследователи сравнили яркость цефеид и сверхновых в галактиках с большей точностью, таким образом, они могли более точно измерить истинную яркость звёзд и вычислить расстояния до сотен сверхновых с ещё большей точностью.
Другое преимущество этого исследования состоит в том, что с помощью всё той же камеры WFC3 команда сумела откалибровать яркости соседних цефеид и объектов в других галактиках, устранив, таким образом, систематические ошибки, которые почти неизбежно возникают в результате объединения данных от разных телескопов.
“Обычно, если каждые шесть месяцев вы пытаетесь отследить изменение позиции одной звезды относительно другой на таких больших расстояниях, вы ограничены возможностью понимания того, где точно расположена эта звезда. Наш метод позволяет измерить чрезвычайно крошечные смещения из-за параллакса. Мы измеряем разделение между двумя звёздами не только по одному пикселю на камере, но много тысяч раз, уменьшая ошибки сканирования”.
Цель команды заключается в том, чтобы со временем ещё больше уменьшить неопределённость, но уже с использованием данных “Хаббла” и космической обсерватории “Гайя”, которая измеряет позиции и расстояния до миллионов звёзд с беспрецедентной точностью. Предполагается, что именно тогда и удастся диагностировать причину этого несоответствия.
- Перевод
Часть изображения, полученного в рамках наблюдения Hubble eXtreme Deep Field , в комбинированном ультрафиолете, видимом свете и инфракрасном излучении – самого глубокого взгляда во Вселенную из всех, что мы предпринимали. Различные видимые здесь галактики находятся на разных расстояниях и имеют разное красное смещение, что позволяет нам вывести закон Хаббла.
Вселенная огромна, и на миллиарды световых лет во всех направлениях заполнена звёздами и галактиками. С самого Большого взрыва свет путешествует, отправляясь с каждого создавшего его источника, и совсем малая часть этого света доходит до наших глаз. Но свет не просто перемещается через пространство из точки испускания и до того места, где мы находимся сегодня; кроме этого, расширяется сама ткань пространства.
Чем дальше от нас находится галактика, тем больше пространство между нами растягивает – и смещает в красную часть спектра – тот свет, что в итоге прибудет к нашим глазам. Заглядывая на всё более далёкие расстояния, мы видим увеличение красного смещения. Если построить график того, как видимая скорость удаления зависит от расстояния, мы получим красивое, прямолинейное взаимоотношение: закон Хаббла . Но наклон этой линии, постоянная Хаббла, на самом деле совсем не постоянен. И это одно из наиболее сильных заблуждений во всей астрономии.
Зависимость красного смещения от расстояния для удалённых галактик. Не попадающие на линию точки смещены из-за разности пекулярных скоростей , но они лишь немного отклоняются от наблюдаемой общей картины. Изначальные данные, полученные самим Эдвином Хабблом, и впервые использованные для демонстрации расширения Вселенной, умещаются в небольшой красный прямоугольник в левом нижнем углу.
Расширение Вселенной мы понимаем двояко: теоретически и через наблюдения. Наблюдая за Вселенной, мы видим несколько важных фактов, связанных с расширением:
- Вселенная расширяется с одной скоростью во всех направлениях.
- Чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
- Всё это верно только в среднем.
Двумерный срез ближайших к нам участков Вселенной, плотность которых выше (красное) и ниже (синее/чёрное) среднего значения. Линии и стрелки показывают направления пекулярных скоростей, но вся эта картина включена в ткань расширяющегося пространства.
Но эта проблема не является непреодолимой. Во Вселенной есть не просто несколько галактик, расстояние и красное смещение которых мы можем измерить; мы провели такие измерения буквально для миллионов галактик. Огромное количество галактик мы можем сгруппировать так, чтобы каждая группа находилась на определённом среднем расстоянии от нас, и мы могли бы подсчитать их среднее красное смещение. После такой процедуры мы обнаруживаем прямолинейную зависимость, определяющую закон Хаббла.
Но вот, в чём сюрприз. Если заглянуть на достаточно большие расстояния, становится видно, что скорость расширения уже не подчиняется прямолинейному закону, и начинает закругляться.
Зависимость скорости видимого расширения (ось у) от расстояния (ось х) соответствует тому, что Вселенная в прошлом расширялась быстрее, однако расширяется и сегодня. Это современная (2014 год) версия работы Хаббла, распространяющаяся на расстояния в тысячи раз большие. Заметим, что точки не формируют прямую линию, а значит, скорость расширения со временем меняется.
Используя термин «постоянная Хаббла», мы имеем в виду наклон этой линии. Если это не линия – то есть, если её наклон меняется – это говорит о том, что хаббловская скорость расширения Вселенной не является константой! Мы называем её постоянной Хаббла потому, что Вселенная расширяется с одной и той же скоростью в любой её точке: постоянная Хаббла постоянна в пространстве.
Но скорость расширения, и значение постоянной Хаббла, изменяются со временем. Это не загадка, а то, чего и следовало ожидать. Чтобы это понять, давайте посмотрим на это с другой точки зрения: теоретической.
Итан Сигель на фоне гиперстены Американского астрономического общества в 2017 году, вместе с первым уравнением Фридмана, справа.
#МоёЛюбимоеУравнение
Первое уравнение Фридмана предсказывает скорость расширения Вселенной на основании её содержимого
Первое уравнение Фридмана получается у нас, если начать со Вселенной, равномерно заполненной материей, излучением и всеми остальными формами энергии. Единственные используемые здесь предположения – Вселенная изотропна (одинаковая во всех направлениях), гомогенна (имеет одинаковую плотность повсюду) и подчиняется Общей теории относительности. Приняв это, вы получаете взаимоотношение величины H, скорости Хаббла (слева) и различных форм материи и энергии Вселенной (справа):
Первое уравнение Фридмана, как его обычно записывают сегодня. Левая часть определяет скорость расширения и эволюцию пространства-времени, а правая включает все различные формы материи и энергии, а также пространственную кривизну
Что интересно, с расширением Вселенной плотности материи, излучения и энергии могут меняться. К примеру, с расширением Вселенной увеличивается её объём, но общее количество частиц остаётся неизменным. Это означает, что в расширяющейся Вселенной:
- плотность материи падает как a -3 ,
- плотность излучения падает, как a -4 ,
- плотность тёмной энергии остаётся постоянной, и эволюционирует, как a 0 ,
Как материя (вверху), излучение (в середине) и космологическая константа (внизу) развиваются со временем в расширяющейся Вселенной
Вселенная с большей плотностью энергии расширяется быстрее. И наоборот, вселенная с меньшей плотностью энергии расширяется медленнее. С возрастом Вселенная расширяется: при расширении материя и излучение становятся менее плотными; с уменьшением плотности уменьшается и скорость расширения. В любой момент времени скорость расширения определяет значение постоянной Хаббла. В далёком прошлом скорость расширения была гораздо больше, а сегодня – наименьшая.
Различные компоненты и вклады в плотность энергии Вселенной, и периоды их доминирования. Если бы космические струны или стены доменов существовали в каком-то значимом количестве, они вносили бы существенный вклад в расширение Вселенной. Могут даже быть и какие-то другие компоненты Вселенной, которых нам уже больше не видно, или которые ещё только собираются проявить себя! К сегодняшнему моменту тёмная энергия доминирует, материя достаточно важна, а излучением можно пренебречь.
Так почему же очень удалённые галактики подчиняются этому прямолинейному соотношению? Потому, что весь свет, прибывающий к нашим глазам, от света, испущенного соседней галактикой, до света, испущенного галактикой, находящейся в миллиардах световых лет от нас, к моменту подхода к нам достигает возраста в 13,8 млрд лет. Ко времени прихода света всё во Вселенной прожило ту же самую постоянно меняющуюся Вселенную, что и мы. Постоянная Хаббла в прошлом, когда была испущена большая часть света, была выше, но на то, чтобы этот свет прибыл к нашим глазам, ушло миллиарды лет.
Свет может быть испущен с разной длиной волны, но расширение Вселенной растянет его в пути. Свет, испущенный галактикой 13,4 млрд лет назад в ультрафиолете, будет сдвинут в инфракрасный диапазон.
Со временем Вселенная расширялась, а значит, длина волны света увеличивалась. Тёмная энергия стала достаточно важной лишь в последние 6 млрд лет, и мы дошли до момента, когда она довольно быстро становится единственным компонентом Вселенной, влияющим на скорость её расширения. Если бы мы вернулись в то время, когда Вселенная была в два раза моложе, то скорость расширения была бы на 80% больше сегодняшней. А когда Вселенной было 10% от текущего возраста, скорость расширения была в 17 раз больше, чем сегодня.
Когда Вселенная станет в десять раз старше, чем сегодня, её скорость расширения составит 18% от сегодняшней.
Голубым закрашен диапазон возможных неопределённостей того, как плотность тёмной энергии может отклоняться в прошлом и будущем. Данные указывают на наличие истинной космологической «константы», но другие возможности пока никто не отверг. К сожалению, преобразование материи в излучение не может быть кандидатом на тёмную энергию; в результате его то, что раньше вело себя, как материя, просто ведёт себя, как излучение.
Всё из-за наличия тёмной энергии, ведущей себя, как космологическая константа. В далёком будущем материя и излучение станут относительно неважными по сравнению с тёмной энергией, а значит, плотность энергии Вселенной будет оставаться постоянной. В таких условиях скорость расширения достигнет устойчивой и конечной величины, и таким и останется. В далёком будущем постоянная Хаббла станет постоянной не только в пространстве, но и во времени.
В далёком будущем, измерив скорость и расстояние до всех видимых объектов, мы получим одинаковый наклон этой линии повсюду. Постоянная Хаббла станет истинно постоянной.
Относительная важность различных компонентов энергии Вселенной в различное время в прошлом. Когда тёмная энергия приблизится в будущем к отметке в 100%, плотность энергии Вселенной будет оставаться постоянной на сколь угодно большом промежутке времени.
Если бы астрономы точнее обращались со словами, они назвали бы H параметром Хаббла, а не постоянной Хаббла, поскольку она меняется со временем. Но несколько поколений подряд мы могли измерять относительно небольшие расстояния, и H казалась постоянной, поэтому мы не стали её переименовывать. Нам приходится лишь уточнять, что H это функция времени, и только сегодня – когда мы называем её H 0 - она постоянна. На самом деле параметр Хаббла изменяется со временем, и остаётся постоянным только по всему пространству. Но если бы мы дожили до далёкого будущего, мы увидели бы, что H в какой-то момент перестаёт меняться. Сегодня мы можем тщательно разделять реальные постоянные величины и те, что меняются со временем, но в далёком будущем благодаря тёмной энергии этой разницы уже не будет.
Если кто-то думает, что слово «разбегаться» имеет сугубо спортивный, в крайнем случае, «антисупружеский» характер, то ошибается. Существуют куда более интересные толкования. К примеру, космологический Закон Хаббла свидетельствует о том, что разбегаются… галактики!
Три вида туманностей
Представьте: в черном, огромном безвоздушном пространстве тихо и медленно удаляются друг от друга: «Прощай! Прощай! Прощай!». Пожалуй, оставим в стороне «лирические отступления» и обратимся к научным сведениям. В 1929 году самый влиятельный астроном XX века американский ученый Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-1953) пришел к выводу: происходит неуклонное расширение Вселенной.
Человек, всю свою сознательную жизнь посвятивший разгадке структуры космоса, родился в Маршфилде С младых ногтей интересовался астрономией, хотя в итоге стал дипломированным юристом. После окончания Кембриджского университета Эдвин работал в Чикаго, в Йоркской обсерватории. В Первую мировую войну (1914-1918 гг.) воевал. Фронтовые годы лишь отодвинули открытие во времени. Сегодня весь ученый мир знает, что такое постоянная Хаббла.
На пути к открытию
Возвратившись с фронта, ученый обратил свой взор на высокогорную обсерваторию Маунт-Вилсон (штат Калифорния). Его приняли туда на работу. Влюбленный в астрономию, молодой человек проводил немало времени, глядя в объективы огромных телескопов размером в 60 и 100 дюймов. Для того времени - крупнейшие, почти фантастика! Над приборами изобретатели работали почти десятилетие, добиваясь максимально возможного увеличения и четкости изображения.
Напомним, видимая граница Вселенной именуется Метагалактикой. Она исходит к состоянию на момент Большого Взрыва (космологическая сингулярность). Современные положения гласят, что значения физических постоянных однородны (имеется в виду скорость света, элементарный заряд и др.). Считается, что Метагалактика вмещает 80 миллиардов галактик (удивительная цифра звучит еще так: 10 секстиллионов и 1 септильонов звезд). Форма, масса и размер - для Вселенной это совершенно иные, нежели принятые на Земле, понятия.
Загадочные цефеиды
Чтобы обосновать теорию, объясняющую расширение Вселенной, потребовались продолжительные глубокие исследования, сложные сопоставления и вычисления. В начале двадцатых годов XX века вчерашний солдат наконец смог классифицировать туманности, наблюдаемые отдельно от Млечного пути. Согласно его открытию, они спиральные, эллиптические и неправильные (три вида).
В ближайшей к нам звездной системе, но не самой близкой спиральной туманности Андромеды, Эдвин разглядел цефеиды (класс пульсирующих звезд). Закон Хаббла стал как никогда близок к своему окончательному формированию. Астроном вычислил расстояние до этих маячков и размеры крупнейшей Согласно его выводам, Андромеда содержит примерно один триллион звезд (в 2,5-5 раз больше Млечного пути).
Константа
Некоторые ученые, объясняя природу цефеидов, сравнивают их с надувными резиновыми мячами. Они то увеличиваются, то уменьшаются, то приближаются, то отдаляются. Лучевая скорость при этом колеблется. При сжатии температура «путешественниц» увеличивается (хотя поверхность уменьшается). Пульсирующие звезды представляют собой необычный маятник, который, рано или поздно, остановится.
Как и остальные туманности, Андромеда охарактеризована ученым, как островное вселенское пространство, напоминающее нашу галактику. В 1929 году Эдвин обнаружил: лучевые скорости галактик и их расстояния взаимосвязаны, линейно зависимы. Был определен коэффициент, выражаемый в км/с на мегапарсек так называемая постоянная Хаббла. Расширяется Вселенная - меняется константа. Но в конкретный момент во всех точках системы мироздания она одинакова. В 2016 году - 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк.
Представления о системе мироздания, продолжающей эволюцию, расширяющейся, тогда получили наблюдательную основу. Процесс активно изучался астрономом до самого начала Второй мировой войны. В 1942 году он возглавил Отдел внешней баллистики на Абердинском испытательном полигоне (США). Разве об этом мечтал сподвижник, пожалуй, самой загадочной науки на свете? Нет, ему хотелось «расшифровывать» законы потаенных уголков далеких галактик! Что касается политических взглядов, то астроном открыто осуждал лидера Третьего рейха Адольфа Гитлера. На исходе своей жизни Хаббл прослыл мощным противником применения оружия массового поражения. Но вернемся к туманностям.
Великий Эдвин
Многие астрономические константы со временем корректируются, появляются новые открытия. Но все они не идут в сравнение с Законом расширения Вселенной. Знаменитого астронома XX века Хаббла (со времен Коперника равных ему не было!) ставят в один ряд с основателем экспериментальной физики Галилео Галилеем и автором новаторского вывода о существовании звездных систем Уильямом Гершелем.
Еще до того, как был открыт закон Хаббла, его автор стал членом Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, позже академий в разных странах, имеет множество наград. Многие, наверное, слышали про то, что свыше десяти лет назад выведен на орбиту и успешно действует космический телескоп «Хаббл». Это имя носит одна из малых планет, вращающихся между орбитами Марса и Юпитера (астероид).
Будет не совсем справедливо утверждать, что астроном только и мечтал об увековечивании своего имени, но есть косвенные свидетельства того, что Эдвин любил привлечь внимание. Сохранились фото, где он весело позирует рядом с кинозвездами. Чуть ниже мы расскажем о его попытках «зафиксировать» достижение на лауреатском уровне, еще и таким образом войти в историю космологии.
Метод Генриетты Ливитт
Знаменитый британский астрофизик в своей книге «Краткая история времени» писал, что «открытие того, что Вселенная расширяется, стало величайшей интеллектуальной революцией XX века». Хаббл был достаточно удачлив, чтобы оказаться в нужном месте в нужное время. Обсерватория Маунт-Вильсон являлась центром наблюдательной работы, лежащей в основе новой астрофизики (позже получившей название космологии). Самый мощный на Земле телескоп Хукера тогда только вступил в строй действующих.
Но постоянная Хаббла вряд ли была открыта лишь на основании везения. Требовались терпение, упорство, умение побеждать научных соперников. Так американский астроном Харлоу Шепли предлагал свою модель Галактики. Его уже знали, как ученого, определившего размеры Млечного Пути. Он широко применял методику определения расстояний по цефеидам, используя методику, составленную в 1908 году Генриеттой Суон Ливитт. Она устанавливала расстояние до объекта, опираясь на стандартные вариации света от ярких звезд (переменные цефеиды).
Не пыль и газ, а другие галактики
Харлоу Шепли считал, что ширина галактики 300 000 световых лет (приблизительно в десять раз выше допустимого значения). Однако Шепли, как и большинство астрономов того времени, был уверен: Млечный Путь - это и есть вся Вселенная. Несмотря на предположение, впервые сделанное Уильямом Гершелем в XVIII веке, он разделял распространенное мнение, что все туманности для относительно близлежащих объектов - всего лишь пятна пыли и газа в небе.
Сколько горьких, холодных ночей провел Хаббл, сидя у мощного телескопа Хукера, прежде чем смог доказать, что Шепли не прав. В октябре 1923 года Эдвин заметил в М31 туманности (созвездие Андромеды) «вспыхнувший» объект и предположил, что он не относится к Млечному Пути. После тщательного изучения фотопластин, на которых была запечатлена та же площадь, ранее исследованная другими астрономами, в том числе, Шепли, Эдвин понял, что это цефеида.
Обнаружен Космос
Хаббл использовал метод Шепли для измерения расстояния до переменной звезды. Оказалось, что оно исчисляется миллионами световых лет от Земли, что находится далеко за пределами Млечного Пути. Сама галактика содержит миллионы звезд. Известная Вселенная резко расширилась в тот же день и - в некотором смысле - был обнаружен сам Космос!
Газета "Нью-Йорк Таймс" писала: "Обнаруженные спиральные туманности являются звездными системами. Доктор Hubbel (так в оригинале) подтверждает мнение, что они похожи на "островные вселенные", похожие на нашу собственную". Открытие имело большое значение для астрономического мира, но величайший момент Хаббла был еще впереди.
Никакой статичности
Как мы говорили, победа к «Копернику №2» пришла в 1929 году, когда он классифицировал все известные туманности и измерил их скорости от спектров излучаемого света. Его поразительная находка, что все галактики отступают от нас со скоростями, увеличивающимися пропорционально их удаленности от Млечного Пути, потрясла мир. Закон Хаббла отменил традиционное представление о статической Вселенной и показал, что сама она полна динамики. Сам Эйнштейн склонял голову перед столь потрясающей наблюдательностью.
Автор теории относительности подкорректировал собственные уравнения, которыми обосновывал расширение Вселенной. Теперь Хаббл показал, что Эйнштейн был прав. Хаббловское время - величина, обратная постоянной Хаббла (t H = 1/H). Это характерное время расширения Вселенной на текущий момент.
Взорвались и разлетелись
Если постоянная в 2016 году равна 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк, то расширение в настоящее время характеризуется следующими цифрами: (4,61 ± 0,05)·10 17 с или (14,610 ± 0,016)·10 9 лет. И снова немного юмора. Оптимисты говорят: это хорошо, что галактики «разбегаются». Если представить, что они сближаются, рано или поздно наступил бы Большой взрыв. Но именно с него началось зарождение Вселенной.
Галактики «рванули» (начали движение) в разные стороны одновременно. Если бы скорость удаления не была пропорциональной расстоянию - теория взрыва бессмысленна. Еще одна производная константа - хаббловское расстояние - произведение времени на скорость света: D H = ct H = c/H. В текущий момент - (1,382 ± 0,015)·10 26 м или (14,610 ± 0,016)·10 9 световых лет.
И снова о надувном шаре. Есть мнение, что даже астрономы не всегда правильно трактуют расширение Вселенной. Часть знатоков считает, что она раздувается, словно резиновый шар, не ведая никаких физических ограничений. Сами галактики при этом не только удаляются от нас, но и хаотично «суетятся» внутри неподвижных скоплений. Иные уверяют, что дальние галактики «уплывают» осколками Большого взрыва, но делают это степенно.
Мог бы стать Нобелевским лауреатом
Хаббл пытался получить Нобелевскую премию. В конце 1940-х годов даже нанимал рекламного агента (сейчас его назвали бы пиар-менеджер), чтобы тот продвинул дело. Но усилия были напрасными: категории для астрономов не существовало. Эдвин умер в 1953 году, в ходе научных изысканий. В течение нескольких ночей он наблюдал внегалактические объекты.
Его последняя честолюбивая мечта осталась несбывшейся. Но ученый наверняка бы порадовался тому, что в его честь назван космический телескоп. И поколения братьев по разуму продолжают исследовать огромное и чудесное пространство. Оно до сих пор таит немало загадок. Сколько открытий впереди! И производные постоянные Хаббла, наверняка, помогут кому-то из молодых ученых стать «Коперником №3».
Оспаривая Аристотеля
Что будет доказано или опровергнуто, как тогда, когда в пух и прах полетела теория о бесконечности, вечности и неизменности пространства вокруг Земли, которую поддерживал сам Аристотель? Он приписывал Вселенной симметрию и совершенство. Космологический принцип подтвердил: все течет, все изменяется.
Есть мнение, что через миллиарды лет небеса будут пусты и темны. Расширение «унесет» галактики за космический горизонт, откуда свет не сможет дойти до нас. Будет ли актуальна постоянная Хаббла для пустой Вселенной? Что станет с наукой космологией? Она исчезнет? Все это предположения.
Красное смещение
Пока же телескоп «Хаббл» сделал снимок, который свидетельствует: до вселенской пустоты нам пока далеко. В профессиональной среде в ходу мнение, что ценно открытие Эдвина Хаббла, но не его закон. Однако именно он был почти сразу признан в научных кругах того времени. Наблюдения «красного смещения» не просто завоевало право на существование, оно актуально и в XXI веке.
И сегодня, определяя расстояние до галактик, опираются на супероткрытие ученого. Оптимисты утверждают: даже если наша галактика останется единственной, «скучать» нам не придется. Будут существовать миллиарды карликовых звезд и планет. А значит, рядом с нами по-прежнему будут «параллельные миры», которые нужно будет исследовать.
, квазара) со скоростью его удаления. Обычно обозначается буквой H . Имеет размерность, обратную времени (H ≈ 2,2⋅10 −18 с −1), но выражается обычно в км/с на мегапарсек .
Значение
Наиболее надёжная оценка постоянной Хаббла на 2013 год составляет 67,80 ± 0,77 (км/с)/Мпк . В 2016 году эта оценка была уточнена до 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк . Таким образом, в современную эпоху две галактики, разделённые расстоянием в 1 Мпк , в среднем разлетаются со скоростью около 67 км/с . В моделях расширяющейся Вселенной постоянная Хаббла изменяется со временем, но термин «постоянная» оправдан тем, что в каждый данный момент времени во всех точках Вселенной постоянная Хаббла одинакова.
Возраст Вселенной в рамках модели ΛCDM составляет около (4,354 ± 0,012)⋅10 17 с или (13,798 ± 0,037)⋅10 9 лет .
Следует отметить, что измерения разными методами дают несколько различающиеся значения постоянной Хаббла. Указанные выше значения получены с помощью измерения параметров реликтового излучения на космической обсерватории «Планк» . Опубликованные в 2016 году измерения «местного» (в пределах до < 0,15 ) значения постоянной Хаббла путём вычисления расстояний до галактик по светимости наблюдающихся в них цефеид на космическом телескопе Хаббла дают оценку в 73,24 ± 1,74 (км/с)/Мпк , что на 3,4 сигмы (на 7-8 %) больше, чем определено по параметрам реликтового излучения . Причины этого расхождения оценок пока неизвестны.
Производные постоянные
Величина, обратная постоянной Хаббла (ха́ббловское вре́мя t H = 1/H ), имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент. Для современного значения постоянной Хаббла, равного 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк (или (2,169 ± 0,020)⋅10 −18 c −1 ), хаббловское время равно (4,61 ± 0,05)⋅10 17 с (или (14,610 ± 0,016)⋅10 9 лет ). Часто используют также ещё одну производную константу, ха́ббловское расстоя́ние , равное произведению хаббловского времени на скорость света : D H = ct H = c /H . Для вышеуказанного значения постоянной Хаббла хаббловское расстояние равно (1,382 ± 0,015)⋅10 26 м или (14,610 ± 0,016)⋅10 9
Loading...