в чем заключается закон хаббла
Закон Хаббла
Зако́н Ха́ббла (закон всеобщего разбегания галактик) — эмпирический закон, связывающий красное смещение галактик и расстояние до них линейным образом [1] :
С помощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возраст Вселенной:
Этот возраст является характерным временем расширения Вселенной на данный момент и с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.
Содержание
История открытия
В 1913—1914 годах американский астроном Весто Слайфер установил, что Туманность Андромеды и ещё более десятка небесных объектов движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями (порядка 1000 км/сек). Это означало, что все они находится за пределами Галактики (ранее многие астрономы полагали, что туманности представляют собой формирующиеся в нашей Галактике планетные системы). Другой важный результат: все исследованные Слайфером туманности, кроме 3, удалялись от Солнечной системы. В 1917—1922 годах Слайфер получил дополнительные данные, подтвердившие, что скорость почти всех внегалактических туманностей направлена прочь от Солнца. Артур Эддингтон на основе обсуждавшихся в те годы космологических моделей Общей теории относительности предположил, что этот факт отражает общий природный закон: Вселенная расширяется, и чем дальше от нас астрономический объект, тем больше его относительная скорость.
Теоретическая интерпретация
С точки зрения классической механики, закон Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная образовалась в результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили бо́льшие скорости, соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва: с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.
За несколько лет до экспериментального открытия закона Хаббла Александр Фридман вывел теоретически решения уравнения Эйнштейна для всей Вселенной, и в результате было получено, что если распределение вещества в ней в среднем равномерно, то она должна или сжиматься, или расширяться, причём в последнем случае должен наблюдаться линейный закон между расстоянием и скоростью убегания. Эта особенность решений Фридмана была сразу же отождествлена с явлением, открытым Хабблом.
В соответствии с этой (общепринятой) моделью космологическое красное смещение нельзя интерпретировать как Эффект Доплера, так как получаемая из наблюдаемого z по формулам этого эффекта скорость не соответствует (лишь приближённо равна) никакой скорости в смысле изменения космологического расстояния между галактиками. Галактики неподвижны (за исключением пекулярных собственных скоростей), а расширяется пространство, что и вызывает расширение волнового пакета. (См. в статье Космологическое красное смещение). Соотношение
является приближённым, в то время как равенство
где 
— расстояние в данный момент, есть точное равенство, то есть красное смещение линейно связано с расстоянием только приближённо для близких галактик, а скорость их удаления линейно возрастает с расстоянием точно. Таким образом, в последней формуле скорость V не соответствует скорости, рассчитываемой по эффекту Допплера.
Оценка постоянной Хаббла и её физический смысл
В процессе расширения, если оно происходит равномерно, постоянная Хаббла должна уменьшаться, и индекс «0» при её обозначении указывает на то, что величина Н0 относится к современной эпохе. Величина, обратная постоянной Хаббла, должна быть в таком случае равна времени, прошедшему с момента начала расширения, то есть возрасту Вселенной.
Возможная нелинейность закона
В наше время наблюдениями, говорящими в пользу существования тёмной энергии, были, по-видимому, обнаружены отклонения от линейного закона Хаббла (как связи наблюдаемого красного смещения с расстоянием). Было обнаружено, что, по-видимому, наша Вселенная расширяется с ускорением. [5] Этот факт не отменяет закона Хаббла, если его понимать как зависимость от расстояния в данный конкретный момент времени, то есть если учесть, что далёкие объекты мы наблюдаем в прошлом.
Хаббла закон
Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) — правило физической космологии, согласно которому красное смещение удалённых объектов пропорционально их расстоянию от наблюдателя. Таким образом, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
Другими словами, между расстояниями D до галактик и скоростями их удаления Vr (разбегания) наблюдается линейная зависимость:
.
Чем дальше от наблюдателя космический объект (галактика, квазар), тем быстрее он удаляется.
На каждый миллион парсек расстояния до объекта его скорость убегания увеличивается приблизительно на 75 км/с.
,
С помощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возраст Вселенной (в предположении, что «разбегание» галактик действительное):
,
этот возраст лишь по порядку соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.
Содержание
Суть закона Хаббла
С точки зрения классической механики, закон Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная образовалась в результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили бо́льшие скорости — соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва: с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.
Первое замечание касается того, учитывается ли при наблюдениях тот факт, что из-за того, что свет идёт от галактик миллионы лет, мы наблюдаем их в прошлом. В результате, поскольку они удаляются от нас, в настоящий момент они должны находиться уже дальше. Вопрос: для какого из двух расстояний определена зависимость Хаббла? Ответ: до середины прошлого века это не имело значения. Из графика Хаббла видно, что наибольшие скорости галактик, рассмотренных Хабблом, составили до 1000 км/с. В принципе это большая скорость, но за время движения света от них до Земли, они всё равно успели сдвинуться на незначительный процент общего расстояния.
Экспериментальное открытие
Закон Хаббла установлен экспериментально Э. Хабблом в 1929 для галактик, до которых было определено расстояние по ярчайшим звёздам. Исходное наблюдение состояло в том, что красные линии в спектрах внегалактических туманностей смещаются пропорционально расстоянию до них. Позднее закон был подтверждён по наблюдениям большого количества галактик.
Теоретическая интерпретация
За несколько лет до экспериментального открытия Александром Фридманом были теоретически решены уравнения Эйнштейна для всей Вселенной и в результате было получено, что если распределение вещества в ней в среднем равномерно, то она должна или сжиматься или расширяться, причём в последнем случае должен наблюдаться линейный закон между расстоянием и скоростью убегания. Эта особенность решений Фридмана была сразу же отождествлена с явлением, открытым Хабблом.
В соответствии с этой (общепринятой) моделью космологическое красное смещение нельзя интерпретировать как Эффект Доплера, так как получаемая из наблюдаемого z по формулам этого эффекта скорость не соответствует (лишь приближенно равна) никакой скорости в смысле изменения космологического расстояния между галактиками. Галактики неподвижны (за исключением пекулярных собственных скоростей), а расширяется пространство, что и вызывает расширение волнового пакета. (См. в статье Космологическое красное смещение). Так соотношение
является приближённым, в то время как равенство
Оценка постоянной Хаббла и её физический смысл
В процессе расширения, если оно происходит равномерно, постоянная Хаббла должна уменьшаться, и индекс «0» при её обозначении указывает на то, что величина Н0 относится к современной эпохе. Величина, обратная постоянной Хаббла должна быть в таком случае равна времени, прошедшему с момента начала расширения, то есть, возрасту Вселенной.
Значение Н0 определяется по наблюдениям галактик, расстояния до которых измерены без помощи красного смещения (прежде всего, по ярчайшим звёздам или цефеидам). Большинство независимых оценок Н0 дают для этого параметра значение 70—80 км/с на мегапарсек. Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью 7000—8000 км/с. В настоящее время (2009) наиболее надёжной (хотя и модельно зависимой) считается оценка Н0=(74,2 ± 3,6) км/с/Мпк.
Проблема оценки Н0 осложняется тем, что, помимо космологических скоростей, обусловленных расширением Вселенной, галактики ещё обладают собственными (пекулярными) скоростями, которые могут составлять несколько сотен км/с (для членов массивных скоплений галактик — более 1000 км/с). Это приводит к тому, что закон Хаббла плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии ближе 10-15 млн св. лет, то есть как раз для тех галактик, расстояния до которых наиболее надёжно определяются без красного смещения.
Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на очень больших расстояниях (в миллиарды св. лет), которым соответствует величина z > 1. Расстояния до объектов с таким большим красным смещением теряют однозначность, поскольку зависят от принимаемой модели Вселенной и от того, к какому моменту времени они отнесены. В качестве меры расстояния в этом случае обычно используется только красное смещение.
Возможная нелинейность закона
В наше время наблюдениями, говорящими в пользу существования тёмной энергии, были, по-видимому, обнаружены отклонения от линейного закона Хаббла (как связи красного смещения с расстоянием). Было обнаружено, по-видимому, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Этот факт не отменяет закона Хаббла, так как последний действует на более близких расстояниях, чем эти новые эффекты.
Закон Хаббла
Эдвин Хаббл первым понял, что все окружающие нас галактики удаляются от нашей. И чем они дальше, тем быстрее удаляются — следуя закону Хаббла. Так галактическая диаспора дала нам первое свидетельство расширения вселенной — поразительное открытие, изменившее все наши представления о ней и ее дальнейшей судьбе.
Вывод о том, что Земля вращается вокруг Солнца, сделанный Коперником в XVI веке, перепугал многих. Оказывается, человечество вовсе не обитает в центре космоса. Однако результат телескопических измерений, проведенных в 1920-х американским астрономом Эдвином Хабблом, оказался еще более неутешительным. Хаббл показал, что вселенная не статична, что она расширяется. Он свел в таблицу расстояния от нашей Галактики до других и их скорости относительно Млечного Пути и обнаружил, что галактики удаляются от нас.
«История астрономии — это история расширяющихся горизонтов» Эдвин Хаббл, 1938
Оказывается, мы столь непопулярны в космосе, что в нашу сторону медленно продвигаются лишь несколько ближайших соседей. Чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется — скорость ее пропорциональна расстоянию между нами (закон Хаббла). Отношение между скоростью и расстоянием всегда одно и то же, его назвали «постоянной Хаббла». Сегодняшние астрономы измерили эту величину, она оказалась близкой к 75 километрам в секунду на мегапарсек (мегапарсек, или миллион парсеков, равен 3 262 000 световых лет, или 3 х 10 22 м). Вот с такой скоростью галактики от нас и удирают.
Большие дебаты
До XX столетия астрономы и в собственной-то Галактике, в Млечном Пути, мало что понимали. Они провели измерения для сотен ее звезд и заметили также немало легких размытостей, названных «туманностями». Некоторые из них были газовыми облаками, имевшими отношение к рождениям и смертям звезд. Но были и другие, обладавшие спиральной или овальной формой, наводившей на мысль, что устроены они сложнее обычного облака.
В 1920 году два знаменитых астронома заспорили о происхождении этих размытостей. Харлоу Шепли доказывал: все, что мы видим в небе, составляет часть Млечного Пути, который, собственно, и есть вселенная. Напротив, Гебер Кёртис полагал, что некоторые из этих туманностей представляют собой «островные вселенные» — «вселенные» внешние по отношению к Млечному Пути. Термин «галактика» был введен уже впоследствии, и как раз для описания этих туманностей, они же вселенные. Каждый астроном приводил доводы в поддержку своей идеи, так что за один день их спор не закончился. Более поздняя работа Хаббла показала, что прав был Кёртис. Спиральные туманности оказались внешними галактиками, которые лежат за пределами Млечного Пути. Вселенная вдруг развернулась, как огромный ковер.
Разлет
Хаббл использовал 100-дюймовый телескоп обсерватории Маунт-Вилсон для измерений светимости пульсирующих звезд туманности Андромеда, являющейся, как теперь известно, спиральной галактикой, очень похожей на Млечный Путь и на другие галактики, родственные нашей. Эти переменные звезды называются «цефеидами» — по первой из них, открытой в созвездии Цефея, — они и сейчас остаются незаменимыми для выяснения расстояний. У таких звезд светимость и период ее изменения связаны с яркостью, поэтому если вы знаете, как меняется светимость цефеиды, то знаете и какова ее яркость. А зная яркость, можно выяснить, насколько далека от нас эта звезда, потому что с ростом расстояния она тускнеет. Тут все просто: вы видите вдали электрическую лампочку и знаете, что ее мощность составляет 100 Вт, — тогда вам ничего не стоит определить расстояние до нее, сравнив ее яркость с яркостью такой же лампочки, горящей прямо перед вами.
«Мы видим, как они уменьшаются и тускнеют во все большем числе, и знаем, что заглядываем в пространство все дальше и дальше и будем заглядывать, пока самая тусклая из туманностей, обнаруженная с помощью самого мощного телескопа, не скажет нам, что мы добрались до границы известной вселенной» Эрвин Хаббл, 1938
Следом Хаббл занялся составлением таблицы расстояний от нас до других галактик. Он обнаружил также, что идущий от них свет претерпевает пропорциональное расстоянию красное смещение, подобное доплеровскому, наблюдаемому для двигающихся с большой скоростью объектов. То, что все частоты, например частоты атомных переходов водорода, были «краснее», чем ожидалось, означало: все галактики уносятся от нас, как множество машин «скорой помощи», у которых при этом понижается тон сирены. Странно, вообще говоря, что все они стараются оказаться от нас подальше и лишь несколько «локальных» движутся в нашу сторону. И чем дальше вы заглянете, тем большей будет скорость разлета.
Хаббл понял, что галактики не просто удаляются от нас — это обеспечило бы нам во вселенной место слишком привилегированное, — нет, все они разлетаются и друг от друга. И пришел к выводу, что сама вселенная расширяется, увеличиваясь в размерах, как гигантский надуваемый воздушный шарик. Галактики подобны точкам на его поверхности: чем больше воздуха накачивается в шарик, тем дальше они уходят друг от друга.
Как далеко, как быстро?
Даже сегодняшние астрономы используют переменные звезды, цефеиды, для того чтобы оценить скорость расширения нашей локальной вселенной. Главная их цель — точное измерение постоянной Хаббла. А для этого нужно знать расстояние до какого-либо объекта и величину его скорости, или красного смещения. Красное смещение несложно измерить по атомным спектрам. Частоту определенного атомного перехода в свете звезды можно сравнить с нею же, но полученной в лаборатории, разница между ними и даст величину красного смещения. Расстояния определять труднее, поскольку для этого необходимо наблюдать за некоторым небесным телом, для которого известна его длина или истинная яркость, «стандартная свеча».
Способов определения астрономических расстояний существует немало. Способ цефеид хорошо работает для ближних галактик, в которых еще можно различить индивидуальные звезды. Однако на расстояниях много больших необходимы другие методы. Они существуют, и все их можно объединить, соорудив гигантскую измерительную линейку, или «шкалу расстояний». Однако, поскольку каждый метод имеет свои особенности, точность этой расширенной шкалы все еще оставляет желать лучшего.
Ныне постоянная Хаббла известна с точностью около 10%, за что следует благодарить главным образом наблюдения за галактиками и космическим микроволновым фоновым излучением, проведенные космическим телескопом «Хаббл». Расширение вселенной началось с породившего ее Большого взрыва — вот с тех пор галактики и разлетаются. Закон Хаббла позволяет установить предельный возраст вселенной. Поскольку она постоянно расширяется, можно проследить этот процесс вспять, к начальной точке. Получается 14 миллиардов лет. По счастью, скорости расширения не достаточно для того, чтобы порвать вселенную на куски. На самом-то деле космос точно сбалансирован, полностью разорваться он не может и содержит массу достаточную, чтобы со временем начать сжиматься в точку.
Космический телескоп «Хаббл»
Космический телескоп «Хаббл» — это безусловно самая популярная из всех орбитальных обсерваторий. Сделанные им изумительные фотографии туманностей, далеких галактик и окружающих звезды дисков в течение двадцати лет украшали первые страницы многих газет Запущенный в 1990 году с борта шаттла «Дискавери», этот космический корабль близок по размерам к двухэтажному автобусу — 13 м в длину, 4 м в ширину, 11 000 кг веса. Он несет на себе астрономический телескоп с зеркалом в 2,4 м и комплект фотокамер и электронных детекторов, способных давать кристально чистые изображения, получаемые в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. Сила «Хаббла» состоит в том, что он находится вне атмосферы Земли, поэтому сделанные им фотографии не размазываются. Ныне «Хаббл» состарился и дальнейшая его судьба стала неопределенной. НАСА может модернизировать его инструментарий, но для этого потребуется послать к нему шаттл с командой космонавтов, — а может, и прекратить работу с ним, оставив его вечно вращаться вокруг Земли либо утопив в океане.
Закон Хаббла
График из оригинальной работы Хаббла 1929 года
В свое время закон Хаббла сделал переворот в профессиональной астрономии. В начале ХХ века американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что наша Вселенная не статична, как казалось ранее, а постоянно расширяется.
Общие сведения
Постоянная Хаббла: данные с различных космических аппаратов
Закон Хаббла – физико-математическая формула, доказывающая, что наша Вселенная постоянно расширяется. Причем расширение космического пространства, в котором находится и наша галактика Млечный путь, характеризуется однородностью и изотропией. То есть, наша Вселенная расширяется одинаково во всех направлениях. Формулировка закона Хаббла доказывает и описывает не только теорию расширение Вселенной, но и главную идею ее происхождения – теорию Большого взрыва.
Наиболее часто в научной литературе закон Хаббла встречается под следующей формулировкой: v=H0*r. В этой формуле v означает скорость галактики, H0 – коэффициент пропорциональности, который связывает расстояние от Земли до космического объекта со скоростью его удаления (этот коэффициент еще называют «Постоянной Хаббла»), r – расстояние до галактики.
В некоторых источниках встречается другая формулировка закона Хаббла: cz=H0*r. Здесь c выступает, как скорость света, а z символизирует собой красное смещение – сдвиг спектральных линий химических элементов в длинноволновую красную сторону спектра по мере их удаления. В физико-теоретической литературе можно обнаружить и другие формулировки данного закона. Однако от разности формулировок суть закона Хаббла не меняется, а его суть заключается в описании того факта, что наша Вселенная непрерывно расширяется во всех направлениях.
Открытие закона
Возраст и будущее Вселенной может быть определено путем измерения постоянной Хаббла
Предпосылкой к открытию закона Хаббла был целый ряд астрономических наблюдений. Так, в 1913 году американский астрофизик Вейл Слайдер обнаружил, что Туманность Андромеды и несколько других огромных космических объектов движутся с большой скоростью, относительно Солнечной системы. Это дало ученому основание предположить, что туманность – это не формирующиеся в нашей галактике планетарные системы, а зарождающиеся звезды, которые находятся за пределами нашей галактики. Дальнейшее наблюдение за туманностями показало, что они не только являются другими галактическими мирами, но и постоянно удаляются от нас. Этот факт дал возможность астрономическому сообществу предположить, что Вселенная постоянно расширяется.
В 1927 году бельгийский ученый-астроном Жорж Леметр экспериментально установил, что галактики во Вселенной удаляются друг от друга в космическом пространстве. В 1929 году американский ученый Эдвин Хаббл при помощи 254-сантиметрового телескопа установил, что Вселенная расширяется и галактики в космическом пространстве удаляются друг от друга. Используя свои наблюдения, Эдвин Хаббл сформулировал математическую формулу, которая по сегодняшний день точно описывает принцип расширения Вселенной, и имеет огромное значение, как для теоретической, так и практической астрономии.
Закон Хаббла: применение и значение для астрономии
Закона Хаббла имеет огромное значение для астрономии. Его широко применяют современные ученые в рамках создания различных научных теорий, а также при наблюдении космических объектов.
Материалы по теме
Горизонт событий
Закон Хаббла позволил выяснить также, что Вселенная расширяется во всех направлениях одинаково. В какой точке космического пространства не оказался бы наблюдатель, если он посмотрит вокруг себя, он заметит, что все объекты вокруг него одинаково от него удаляются. Наиболее удачно этот факт можно выразить цитатой философа Николая Кузанского, который еще в XV веке сказал: «Любая точка есть центр Безграничной Вселенной».
При помощи закона Хаббла современные астрономы могут с высокой долей вероятности просчитывать положение галактик и скоплений галактик в будущем. Точно так же с его помощью можно вычислить предположительное месторасположение любого объекта в космическом пространстве, спустя определенное количество времени.
Интересные факты
3. Закон Хаббла определяет удаление от нас далеких галактик. Что касается ближайших к нам галактик, то здесь его действие не так ярко выражено. Связано это с тем, что эти галактики помимо скорости, связанной с расширением Вселенной, обладают еще и своей собственной скоростью. В связи с этим они могут, как удаляться от нас, так и приближаться к нам. Но, в общем и целом закон Хаббла актуален для всех космических объектов во Вселенной.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!