Ю.Н.Ефремов
Самое грандиозное явление, известное человеку - это расширение нашей Вселенной, доказанное в 1929 г. Расстояния между скоплениями галактик непрерывно возрастают, и это важнейший факт для понимания устройства Мироздания. Определения скорости расширения - постоянной Хаббла, и ее зависимости от времени остаются важнейшим предметом наземных и орбитальных наблюдений.
1. Слабые туманности
Первые признаки расширения Вселенной были обнаружены около 80 лет назад, когда большинство астрономов полагало, что наша Галактика и есть вся Вселенная. Слабые туманные пятнышки, десятки тысяч которых были обнаружены с началом развития астрофотографии, считались далекими газовыми туманностями на окраине всеобъемлющей звездной системы Млечного пути.
Вестон Слайфер на Флагстаффской обсерватории в Аризоне долгие годы был
единственным человеком в мире, получавшим спектры этих "слабых
туманностей". Самим ярким их представителем была хорошо известная
туманность Андромеды. В 1914 г. Слайфер опубликовал
первое определение лучевой скорости этой туманности по спектрограмме,
полученной им на 24-дюймовом рефракторе.
Оказалось, что М31 приближается к нам со скоростью около 300 км/с. К
1925 г. в коллекции Слайфера были спектры 41 объекта. Странной
особенностью обладали эти спектры - скорости у всех из них были очень
велики и отрицательная скорость M31 оказалась редким исключением; в
среднем скорость туманностей составляла +375 км/с, а наибольшая
скорость была +1125 км/с. Почти все они удалялись от нас, и скорости их
превышали скорость любых других объектов, известных астрономам.
(Напомним, что отрицательные скорости направлены к нам, положительные -
от нас.)
Обсерваторию в Флагстаффе Персиваль Ловелл построил специально для наблюдений каналов Марса. Некоторые из нас пришли в астрономию, увлеченные его книгой, в которой рассказывалось о волне потемнения, о расщеплении каналов, переполняемых водой марсианской весны... Однако на этой обсерватории были открыты не менее фантастические, но совершенно реальные вещи. Работа Слайфера означала первый шаг на пути к открытию расширения Вселенной.
Споры о природе "слабых туманностей" велись с конца XVIII века. Вильям
Гершель высказал предположение, что они могут быть далекими звездными
системами,
аналогичными системе Млечного пути. В 1785 г. он был уверен в том,
что разрешить туманности на звезды нельзя только из-за слишком
большой их удаленности. Однако в 1795 г., наблюдая планетарную туманность
NGC 1514, он отчетливо увидел в центре ее одиночную звезду, окруженную
туманным веществом. Существование подлинных туманностей, таким образом,
не подлежало сомнению, и не было необходимости думать, что все туманные
пятна - далекие звездные системы. И в 1820 г. Гершель говорил, что за
пределом нашей собственной системы все покрыто мраком неизвестности.
В XIX веке в неразрешимых на звезды туманностях предпочитали видеть планетные системы в процессе образования - в духе гипотезы Лапласа; NGC 1514 казалась примером далеко зашедшей эволюции - из первичной туманности сконденсировалась уже центральная звезда.
К середине века к 2500 туманностям, открытым его отцом, Джон Гершель прибавил еще 5000, и изучение их распределения по небу дало главный аргумент против предположения, что они являются далекими звездными системами ("островными вселенными"), подобными нашей системе Млечного Пути. Была обнаружена "зона избегания" - почти полное отсутствие этих слабых пятнышек света близ плоскости Млечного Пути. Это было понято как явное указание на их связь с системой Млечного пути. Поглощение света, наиболее сильное в плоскости Галактики, было еще неизвестно.
В 1865 г., Хеггинс впервые пронаблюдал спектр туманностей. Эмиссионные линии туманности Ориона явно говорили о ее газовом составе, но спектр туманности Андромеды (M31) был непрерывный, как и у звезд. Казалось бы, спор решен, но Хеггинс заключил, что такой вид спектра M31 говорит лишь о высокой плотности и непрозрачности составляющего ее газа.
В 1890 г. Агния Клерк в книге о развитии астрономии в XIX веке писала: "Вопрос о том, являются ли туманности внешними галактиками, вряд ли заслуживает теперь обсуждения. Прогресс исследований ответил на него. Можно с уверенностью сказать, что ни один компетентный мыслитель перед лицом существующих фактов не будет утверждать, что хотя бы одна туманность может быть звездной системой, сравнимой по размерам с Млечным Путем".
Хотелось бы знать, какие из нынешних столь же категоричных утверждений
окажутся со временем столь же неверными... Заметим, что за сто лет до
Клерк было высказано диаметрально противоположное суждение. "Повидимому,
звезды... собраны в разнообразные группы, некоторые из коих содержат
миллиарды звезд... Наше Солнце и ярчайшие звезды, возможно, входят в
одну из таких групп, которая, очевидно, и опоясывает небо, образуя
Млечный Путь". Эта осторожная, но совершенно правильная формулировка
принадлежит великому Лапласу.
В начале XX века фотографии, полученные Килером с 36-дюймовым рефлектором, показали, что слабых туманностей не менее 120 000. Звездный спектр отражательных (в основном пылевых) туманностей вокруг звезд Плеяд, казалось, подтверждал мысль о невозможности решить вопрос спектральными исследованиями. Это позволило В. Слайферу предположить, что и спектр туманности Андромеды объясняется отражением света центральной звезды (за которую он принял ядро галактики...)
Для решения вопроса о природе "слабых туманностей" было необходимо знать их расстояние. Дискуссия по этому поводу продолжалась до 1925 г.; она заслуживает отдельного рассказа и здесь мы только вкратце опишем, как было установлено расстояние ключевого объекта - "туманности" Андромеды.
2. Открытие Вселенной
Уже к 1910 г. Джорд Ричи на 60" телескопе обсерватории Маунт Вилсон получил великолепные снимки, на которых было видно, что спиральные ветви больших туманностей усыпаны звездобразными объектами, но изображения многих из них были нерезкие, туманные. Это могли быть и компактные туманности, и звездные скопления, и несколько слившихся изображений звезд.
Доказать, что в больших "туманностях" мы видим одиночные звезды, смог
Эдвин Хаббл (1889 - 1953), молодой астроном той же обсерватории, в 1924
году. С помощью 100" телескопа он нашел в туманности Андромеды 36
цефеид. Амплитуды изменения блеска этих переменных звезд - сверхгигантов
полностью соответствовали известным у цефеид нашей Галактики и это
доказывало, что мы имеем дело с одиночными звездами. И главное,
зависимость период - светимость, установленная по цефеидам Магеллановых
Облаков и Галактики, позволяла определить светимость найденных Хабблом
звезд, и сравнение ее с блеском давало расстояние. Оно уводило
туманность Андромеды далеко за пределы нашей звездной системы. Слабые
туманности оказались далекими галактиками.
Увидеть можно только то, что считаешь возможным увидеть... Когда в
начале 20-х гг. Хьюмасон показал Шепли несколько переменных звезд -
вероятных цефеид, отмеченных им на пластинке с изображением туманности
Андромеды, Шепли стер его отметки - в этой газовой туманности не могло
быть звезд!
3. Начало космологии
Итак, Вселенная населена галактиками, а не изолированными звездами. Только теперь появились возможности проверки выводов зарождавшейся космологии - науки о строении и эволюции Вселенной в целом. В 1924 г. К. Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью В. де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдаленных объектов должна возрастать с их расстоянием. Модель де Ситтера соответствовала пустой Вселенной, но в 1923 г. немецкий математик Г.Вейль отметил, что если в нее поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге Эддингтона, опубликованной в том же году.
Де Ситтер, опубликовавший свою работу "Об эйнштейновской теории
гравитации и ее астрономических следствиях" в 1917 гг., сразу же после
появления общей теории относительности, знал только три лучевые
скорости; у M31 она была отрицательна, а у двух слабых галактик -
положительная и большая.
Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил в 1925 г., что "не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца". Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надежными критериями их расстояния.
О расширении непустой Вселенной говорилось и в первой космологической
работе бельгийского теоретика Ж.Леметра, опубликованной в 1925 г.
Следующая его статья, опубликованная в 1927 г., называлась "Однородная
Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая
радиальные скорости внегалактических туманностей". Коэфициент
пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром,
был близок к найденному Хабблом в 1929 г. В 1931 г. по инициативе
Эддингтона статья Леметра
была перепечатана в "Monthly Notices" и стала
с тех пор широко цитироваться; работы А.А.Фридмана были опубликованы еще
в 1922-1924 гг., но стали широко известны среди астрономов много позднее. Во всяком
случае, Леметр был первым, кто четко заявил, что объекты, населяющие
расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и
должны быть предметом космологии - это не звезды, а гигантские
звездные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с
которыми он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.
Американский теоретик Х.Робертсон в 1928 г., используя данные Хаббла 1926 года, также нашел, что скорости разбегания галактик пропорциональны их расстоянию. Повидимому, эту работу Хаббл знал. С 1928 г. по его заданию М.Хьюмасон (1891-1972) упорно старался измерить красное смещение у возможно более далеких галактик. Вскоре за 45 часов экспозиции у галактики NGC 7619 в скоплении Персея была измерена скорость удаления в 3779 км/c. (Надо ли говорить, что последние две цифры излишни). Сам же Хаббл разработал критерии определения расстояний для далеких галактик, цефеиды в которых оставались недоступны 100" телескопу. Они были основаны на предположении об одинаковости блеска самых ярких отдельных звезд внутри разных галактик. К 1929 г. у него были уверенные расстояния двух десятков галактик, в том числе в скоплении Девы, скорости которых доходили примерно до 1100 км/с.
4. Закон Хаббла
И вот 17 января 1929 г. в Труды Национальной академии наук США поступила статья Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и статья Хаббла, называвшаяся "Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей". Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало четкую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла.
Хаббл понимал значение своего открытия. Сообщая о нем, он писал, что "зависимость скорость - расстояние может представлять эффект де Ситтера и, следовательно, она может дать количественные данные для определения общей кривизны пространства". Многочисленные попытки объяснить зависимость Хаббла не расширением Вселенной, а чем-либо иным, которые можно встретить и теперь, неизменно терпят неудачу. Так, не проходит старое предположение о том, что за долгое время пути фотоны "стареют", теряют энергию и соответствующая длина волны увеличивается - при этом размывались бы и изображения далеких объектов, а величина красного смещения зависела бы и от длины волны, чего не наблюдается. Прямые свидетельства правильности вывода о том, что более далекие объекты имеют большее красное смещение получены недавно при изучении кривых блеска и спектров далеких Сверхновых звезд.
Подчеркнем, что решающее значение имели методы определения расстояний
галактик, разработанные Хабблом, для чего понадобились прямые фотографии
на 100-дюймовом рефлекторе.
В тридцатых годах Хаббл и его сотрудники занимали более половины наблюдательного времени крупнейшего - и практически единственного тогда пригодного для таких работ - телескопа. И эта концентрация усилий привела к величайшим достижениям наблюдательной астрономии XX века!
К 1935 г. у Хьюмасона были спектрограммы 150 галактик до расстояний, в 35 раз превышающих расстояние скопления галактик в Деве, а к 1940 г. наибольшие обнаруженные им скорости удаления галактик составляли уже 40000 км/с. И до самых больших расстояний сохранялась прямая пропорциональная зависимость между красным смещением линий в спектре,
и расстоянием, которая в общем виде записывается так:
где c - скорость света, z - расстояние и v - лучевая скорость. Коэффициент пропорциональности H был назван позднее постоянной Хаббла.
Этот новый закон природы получил объяснение в основанных на общей теории относительности моделях Вселенной еще до того, как он был незыблемо установлен. Приоритет должен быть отдан А.А.Фридману; модели, полученные ранее Эйнштейном и де Ситтером, оказались предельными случаями моделей Фридмана. Широко известными долгое время оставались лишь результаты Леметра (не знакомого тогда с работами Фридмана), который после опубликования работы Хаббла напомнил Эддингтону о своей работе 1927 года - в этой работе Леметр пришел к выводу о расширении модели
Вселенной с конечной средней плотностью вещества в ней. Однако уже в 1931 г. Эйнштейн, говоря о расширяющейся Вселенной, отметил, что первым на этот путь вступил Фридман.
Однако сам Хаббл вскоре потерял уверенность в том, что красное смещение означает именно расширение Вселенной, - вероятно, под влиянием неумолимого вывода из этого предположения. Как писал тогда Г.Рессел, "признать теорию де Ситтера без оговорок преждевременно. Философски неприемлемо, чтобы все галактики прежде были вместе. На вопрос "почему" ответа мы не находим". Именно из такого рода соображений Эйнштейн ввел в свои уравнения 1916 г. космологическую постоянную, долженствующую стабилизировать Вселенную. Этой глубочайшей проблеме посвящена статья А.Д.Чернина "Физический вакуум и космическая антигравитация" на сайте www.сайт и здесь мы только отметим, что ускоренное расширение Вселенной, обнаруженное в 1998 г. по Сверхновым типа Ia, объясняется отрицательным давлением космического вакуума, существование которого и отражается добавочным космологическом членом уравнений Эйнштейна.
Летом 1929 г. Хаббл обрушился на де Ситтера, посмевшего опубликовать
детальную работу, посвященную сравнению теоретических и наблюдательных
выводов о расширении Вселенной. Он писал де Ситтеру, что зависимость
скорость - расстояние является "маунт-вилсоновским достижением", и что
"первое обсуждение новых данных естественно принадлежит тем, кто
действительно выполнял работу". Однако в 1931 г., после появления
гипотезы Цвикки о возможности старения фотонов, Хаббл написал де
Ситтеру, что "интерпретацию следут оставить Вам и еще очень немногим,
кто компетентен авторитетно обсуждать предмет"... До конца своей жизни
(1953 г.) Хаббл повидимому так и не решил для себя, говорит ли красное
смещение о расширении Вселенной, или оно обязано "некоему новому
принципу природы". Так или иначе, его имя навсегда осталось в списке
величайших ученых всех времен.
Красное смещение, пропорциональное расстоянию, означает не разбегание галактик именно от нас, а увеличение всех расстояний между всеми объектами Вселенной (точнее, между объектами, не связанным тяготением - т.е. скоплениями галактик) со скоростью, пропорциональной величине расстояния, подобно тому, как увеличиваются расстояния между всеми точками, расположенными на поверхности раздувающегося шара. Наблюдатель в любой галактике видит, что все другие галактики разбегаются от него. Скорости расширения Вселенной остается одной из самых важных задач астрономии.
Расскажем прежде всего, как ее решал сам Хаббл в 1935 г.
У него были данные о красном смещении 29 близких галактик, находящихся, однако, за пределами Местной группы: слишком близкие галактики использовать заведомо нельзя, так как для них скорости удаления от нас, обусловленные расширением Вселенной, слишком малы и сравнимы со случайными их скоростями в пространстве.
В этих 29 галактиках Хаббл определил звездные величины самых ярких звезд. Поскольку светимости их во всех галактиках, как нашел Хаббл, примерно одинаковы, их звездные величины должны быть функцией расстояния, и действительно, они показывают зависимость от скорости удаления v .
Эта зависимость по данным Хаббла представляется формулой . С другой стороны, , , и , где M - абсолютная величина. Из этих трех формул и вытекает выражение, с помощью которого определяется постоянная Хаббла: . В общем виде из закона Хаббла и формулы следует , т.е. .
Абсолютная величина ярчайших звезд, найденная Хабблом, была равной -6,35 m , и величина H (Хаббл обозначал ее) получилась 535 (км/с)/Мпс.
Поскольку светимость ярчайших звезд была определена сравнением их с цефеидами, пересмотр нуль-пункта зависимости период - светимость (В.Бааде, 1952) означал необходимость и пересмотра величины постоянной Хаббла. Хьюмасон, Мейолл и Сендидж в 1955 г., использовав новые данные о красном смещении и учтя поправку Бааде к нуль-пункту зависимости период - светимость, получили H =180 (км/с)/Мпс.
В 1958 г. Аллан Сендидж,
продолжая дело своего учителя Хаббла, опубликовал результаты новой
ревизии постоянной H
. Опираясь главным образом на Новые звезды,
Сендидж пришел к выводу, что модули расстояний Магеллановых Облаков, M31,
M33 и NGC 6822 надо увеличить в среднем на 2,3 m
сравнительно со
значениями, принятыми Хабблом. На столько же, следовательно, надо
сделать ярче абсолютные величины ярчайших звезд; они были уточнены еще и
путем привлечения новых данных о ярчайших звездах галактик Местной
группы. Но, помимо этих уточнений, Сендидж обнаружил у своего учителя
еще и серьезную ошибку - объекты, которые Хаббл принимал за ярчайшие
звезды в лежащих за пределами Местной группы галактиках, являются в
действительности компактными эмиссионными туманностями, областями HII.
Хаббл, который в двадцатых годах мог работать только с пластинками,
чувствительными к синим лучам, не имел возможности отличить изображения
компактных областей HII от звезд, особенно в далеких галактиках. Даже в
M31, несмотря на тщательные поиски, он не нашел ни одной эмиссионной
туманности, хотя сейчас их там известно 981. Вероятно, поэтому
возможность такой путаницы не приходила Хабблу в голову.
Лишь Бааде, фотографировавший
M31 в разных лучах и, в частности, применявший пластинки,
чувствительные к красным лучам, и светофильтры, вырезающие красную
водородную линию Hα, смог отыскать их. Сендидж, снимая галактику
NGC 4321 = М100
в скоплении Девы в разных лучах, обнаружил, что ярчайшие области HII
ярче самых ярких звезд на 1,8 m - вот на сколько Хаббл преуменьшал
модуль расстояния, определяя его по "ярчайшим звездам". Суммарная ошибка
в принятых Хабблом модулях расстояния составляет, следовательно, около
4,0 m ! В итоге, по оценке Сендиджа, постоянная Хаббла должна быть
заключена в пределах 50-100 (км/с)/Мпк. Причину оставшейся
неопределенности он приписал в основном дисперсии абсолютных величин
ярчайших звезд. Результаты Сендиджа означали, что расстояния далеких
галактик Хаббл преуменьшал в 6-7 раз!
В 1968 г., Сендидж определил постоянную Хаббла другим способом. Еще Хаббл установил, что ярчайшие члены скоплений галактик - гигантские эллиптические галактики - имеют почти одинаковую абсолютную величину. Можно и для них построить зависимость между видимыми величинами и красным смещением (ниже приведена эта диаграмма для 65 ярчайших галактик в скоплениях, построенная Сендиджем, Кристианом и Вестфалем в 1976 г.) и если определить светимость хотя бы одной из них, из этой зависимости можно определить постоянную Хаббла, аналогично тому, как это делал сам Хаббл с ярчайшими звездами. Особенно важно при этом, что мы можем уйти теперь неизмеримо дальше - ярчайшие галактики скоплений ярче ярчайших звезд на 11 m -12 m ! Светимость наиболее яркой галактики в скоплениях можно определить, зная расстояние хотя бы одного скопления. Ближайшим богатым скоплением является скопление в Деве, и Сендидж использовал для определения его расстояния шаровые скопления в эллиптической галактике M87.
Предполагая далее, вместе с Сендиджем, что светимость ярчайших звездных скоплений в богатых ими галактиках одинакова, зная интегральную абсолютную величину ярчайшего скопления нашей Галактики (-9,7 m B, ω Кентавра) и M31 (-9,8 m B, В282), а также блеск ярчайшего скопления M87 (21,3 m В), получаем модуль расстояния M87 и всего скопления галактик: m-M =21,3 m +9,8 m = 31,1 m . Отсюда следует, что ярчайшая галактика скопления Девы (эллиптическая галактика NGC 4472, в которой также очень много шаровых скоплений) - и, следовательно, ярчайшие галактики во всех скоплениях вообще - имеют абсолютную величину -21,7 m .
Зная абсолютную величину галактик и зависимость их видимых величин от красного смешения, легко найти постоянную Хаббла. Таким способом Сендидж получил в 1968 г. значение H =75 (км/с)/Мпс, долгое время считавшееся наиболее вероятным.
Однако в серии статей, опубликованных в 1974-1975 гг., А. Сендидж и швейцарский астроном Г. Тамман получили для постоянной Хаббла значение 55 (км/с)/Мпк. Определив с помощью цефеид расстояния галактик Местной группы и группы M81, они получили зависимость между линейными размерами областей HII и светимостью содержащей их галактики. С помощью этой зависимости они по угловым диаметрам областей HII нашли расстояния многих неправильных и спиральных галактик поля и определили светимость гигантских спиральных галактик ScI, которые можно выделить по внешнему виду. Для 50 слабых галактик ScI Сендидж и Тамман определили лучевые скорости (все они оказались превышающими 4000 км/с). Зная видимые и абсолютные величины, нетрудно получить постоянную Хаббла.
Сендидж и Тамман настаивали на том, что постоянная Хаббла с ошибкой примерно в 10% составляет 50 (км/с)/кпс, тогда как Ж. де Вокулер с той же ошибкой получал значение H =95. Магическое число 10% неразрывно связано с определениями этой постоянной; напомним, что Хаббл определил ее равной 535 (км/с)/кпс - и ошибку оценил именно в 10% ... Надо сказать, что у большинства астрономов получалось значение H между 75 и 100, и Сендидж и Тамман были почти единственными сторонниками длинной шкалы расстояний. Отголоски этого спора слышны и до сих пор, хотя возможный диапазон значений постоянной Хаббла сузился.
Это произошло в основном благодаря специальной программе наблюдений цефеид на Космическом телескопе имени Хаббла. Они были найдены и исследованы в двух десятках галактик, в основном в скоплении Девы, и по расстояниям этих галактик были прокалиброваны методы (Талли-Фишера, Сверхновые Ia и др.), позволяющие определять расстояния еще более далеких галактик, для которых можно пренебречь их случайными движениями. Одна группа исследователей, которую возглавляла знаток цефеид В.Фридман, получила в 2001 г. значение H =72+/-7, а группа А.Сендиджа получила в 2000 г. величину H =59+/-6. Ошибка опять-таки оценена обеими группами точно в 10%!
6. Расширение Вселенной
Задача определения постоянной Хаббла была столь острой, поскольку от ее значения зависят и масштабы Вселенной, и ее средняя плотность, и возраст. Экстраполируя разбегание галактик назад, мы приходим к выводу, что когда-то они все были собраны в одной точке. Если расширение Вселенной происходило с одной и той же скоростью, то величина, обратная постоянной Хаббла (), позволяет сказать, что этот момент t =0 имел место 13-19 (H =50) или 7-10 (H =100) миллиардов лет назад. Этот "экспансионный возраст Вселенной" при меньшем значении постоянной Хаббла, которое неизменно получается у Сендиджа, уверенно больше возраста старейших звезд, чего нельзя сказать про значение H =100. Впрочем, ныне проблема потеряла свою остроту, поскольку теперь не подлежит сомнению, что расширение Вселенной протекало с неодинаковой скоростью. "Постоянная" Хаббла постоянна лишь по пространству, но не во времени.
Недавние (2003 г.) спутниковые измерения анизотропии реликтового излучения дают для постоянной Хаббла значение 71 (+4\-3) км\с\Мпк, а для возраста Вселенной величину 13.7+\-0.2 миллиарда лет (D.Spergel et al., astro-ph/0302209). Пессимисты все же полагают, что лучше говорить о значениях 45-90 для постоянной Хаббла и возрасте Вселенной в 14+\-1 миллиард лет. Наилучшие наземные данные (основанные на результатах больших обзоров красного смещения галактик, их пекулярных скоростей и сверхновых Ia - C.Odman et al., astro-ph/0405118) дают для постоянной Хаббла значение 57 (+15\-14) км\с\Мпк.
Исследования сверхновых типа Ia в далеких галактиках, первые результаты которых появились в 1998 г., стали началом новой революции в космологии, о которой рассказывается в упомянутой выше статье А.Д.Чернина. Скажем здесь лишь несколько слов.
Использование SNIa в качестве "стандартной свечи" для определения очень больших расстояний стало возможным благодаря работам Ю.П.Псковского, выполненным в ГАИШе еще в 1970-х годах. Считается, что одинаковость их светимости в максимуме объясняется тем, что явление сверхновой Ia происходит в тесной системе, включающей белый карлик, на который происходит аккреция вещества от второго компонента.
Когда масса белого карлика достигает предельного для него значения в 1.4 массы Солнца, происходит взрыв, превращающий его остаток в нейтронную звезду.
Положение сверхновых Ia типа на диаграмме Хаббла указывает на то, что в современную эпоху расширение Вселенной происходит ускоренно. Наиболее естественным образом это объясняется тем, что отрицательное давление космического вакуума подгоняет разлет скоплений галактик. Антитяготение вакуума означает, что расширение Вселенной будет происходить вечно.
Если верны эти выводы теории, в более раннюю эпоху расширение Вселенной, напротив, должно было бы идти замедленно, поскольку оно тормозилось гравитацией темного вещества. Его плотность стала меньше плотности вакуума, согласно теории, 6-8 миллиардов лет назад, и действительно, немногочисленные самые далекие сверхновые Ia указывают на замедленное расширение. На днях этот вывод был подтвержден совершенно независимыми данными спутника "Чандра" о горячем газе, наблюдающемся в рентгеновском диапазоне в скоплениях галактик. Отношение массы этого газа к массе темного вещества должно быть одинаково во всех скоплениях и отсюда можно получить расстояния скоплений галактик. Они показали, что замедленное расширение Вселенной сменилось ускоренным 6 миллиардов лет назад.
Доминирование антигравитации вакуума, по мнению А.Д.Чернина и его коллег, объясняет также и парадокс, отмеченный А.Сендиджем еще в 1972 г. - расширение Вселенной было открыто Хабблом по галактикам, находящимся казалось бы слишком близко, неоднородность их распределения в пространстве и связанные с этим гравитационные движения должны были бы замыть общее расширение. Недавние данные, полученные И.Д.Караченцевым и его сотрудниками на 6-м телескопе САО РАН, подтверждают, что изотропное расширение Вселенной начинается очень близко от нас, сразу же за пределами Местной группы галактик.
Итак, астрономические данные впервые позволили определить плотность энергии вакуума; они чреваты новой революцией в физике, ибо значение этой плотности необъяснимо современной теорией.
7. К краю Вселенной
Расскажем в заключение о результатах поисков объектов с максимально
большим красным смещением. Для этого требовались крупнейшие телескопы и
многочасовые экспозиции. Долгие годы и энтузиастов и больших телескопов
было меньше, чем пальцев на одной руке. С вводом в действие
200-дюймового телескопа (на рисунке - Хаббл в кабине главного фокуса
этого телескопа, снимок конца 40-х годов) Хьюмасон смог в 1949 г.
измерить z
=0,20 у галактики из скопления в Гидре с
V
=17,3 m .
Линии ночного неба долго не позволяли получить красное смещение для
более слабых и далеких галактик, используя линии поглощения в их
спектре. По единственной эмиссионной линии Р. Минковский в 1960 г. нашел
z
=0,46 для радиогалактики 3C295 (V
=19,9 m),
долго остававшееся
рекордным для галактик. В 1971 г. это значение подтвердил Дж. Оук по
линиям поглощения, получив запись спектра 3C295 с помощью 32-канального
спектрометра
и определив его сдвиг относительно стандартного спектра с нулевым
красным смещением. На эту работу ушло 8 часов времени 200-дюймового
телескопа. В 1929 г. Хьюмасону понадобилось 40 часов на 100-дюймовом
телескопе для определения красного смещения галактики, на восемь
звездных величин более яркой.
В 1975 г. X. Спинрад с помощью 3-метрового рефлектора нашел z =0,637 у радиогалактики 3C123 -- с V =21,7 m . Несколько линий в спектре 3C123 Спинрад смог измерить с помощью электронно-оптического сканирующего спектрометра, накопив фотоны за 7 часов наблюдений в течение 4 ночей.
Это гигантская эллиптическая галактика, вчетверо более мощная в радиодиапазоне, чем Кентавр А. Затем Сендидж и его сотрудники нашли z =0,53 у радиогалактики 3C330. Наконец, в 1981 г. Спинрад, получая спектры радиогалактик, нашел z =1,050 для 3C13 и z =1,175 для 3C427; экспозиции снова доходили до 40 часов, но наблюдались объекты, в десятки тысяч раз более слабые, чем в 1929 г.
Измерения предельно больших красных смещений оставались уделом одиночек, пока мысль о том, что, изучая Вселенную на предельно больших масштабах, мы постигаем физику, управляющую и микромиром, не овладела массами...
Астрономия стала превращаться, на полвека позднее физики, в Большую науку, в которой многочисленные коллективы работают на гигантских установках. Огромную роль сыграло и развитие электроники, приведшее к созданию эффективных светоприемников.
Для Англо-Австралийского 4-м телескопа было разработано устройство, которое с помощью световодов позволяет одновременно получать спектры в области размером в четыре квадратных градуса. Из 250 000 красных смещений галактик, которые запланировано получить, к весне 2001 г. было измерено уже 150 000. В это сотрудничестве участвуют 20 - 30 человек. Более масштабны задачи Слоановского численного обзора неба, для которого на средства миллионера Слоана был построен широкоугольный 3,5-м телескоп. Задачей обзора является измерить, исходя из многоцветной фотометрии, красные смещения примерно миллиона галактик на четверти площади небосвода. Здесь задействовано уже 150 астрономов из 11 институтов.
Среди первых уловов Слоановского обзора было обнаружение в 2001 г. квазара с красным смещением z =6,28. Однако уже в следующем году этот рекорд был перекрыт и чемпионом оказался не квазар, а галактика. Как мы знаем, квазары являются галактиками с необычно ярким ядром, и их легче обнаружить на больших расстояниях. Зафиксировать красное смещение столь далекой обычной галактики удалось, потому что световой поток от нее был усилен в 4,5 раза благодаря эффекту гравитационного линзирования. Эта галактика, обозначаемая HCM 6A, находится в одной минуте дуги от центра массивного скопления галактик Abell 370, которое, находясь гораздо ближе к нам, и послужило гравитационной линзой. Благодаря действию этого естественного телескопа и удалось с помощью 10-м телескопа Keck-II на Мауна Кеа зафиксировать спектр галактики в инфракрасном диапазоне. На длине волны 9190 ангстрем была найдена эмиссионная линия, которая почти наверняка является линией Лайман-альфа, сдвинутой красным смещением z =6,56 из ультрафиолетовой области спектра.
Это отождествление было подтверждено наблюдениями на соседнем японском 8-м телескопе Subaru, которые показали, что в более далеких инфракрасных полосах поток в тысячи раз слабее, чем в этой эмисионной линии, что согласуется с ее отождествлением как линии Лайман-альфа.
Следующий рекорд был поставлен недавно с помощью одного из 8-м
телескопов (VLT) Южной Европейской обсерватории на горе Паранал в Чили.
Снова использовался эффект гравитационной линзы - искались слабые
галактики, видимые только в инфракрасной области, близ центра богатого
компактного скопления галактик Abell 1835. У одного из таких объектов,
#1916, в спектре была найдена единственная сильная линия, отождествление
которой с Лайман-альфа привело к красному смещению z
=10.0. Другие
возможные отождествления отвергаются, потому что в этом случае в спектре
должны были бы наблюдаться несколько сильных линий (R.Pello et al.,
astro-ph/0403025
Великим физикам прошлого И. Ньютону и А. Эйнштейну Вселенная представлялась статичной. Советский физик А. Фридман в 1924 г. выступил с теорией «разбегающихся» галактик. Фридман предсказал расширение Вселенной. Это было революционным переворотом в физическом представлении о нашем мире.
Американский астроном Эдвин Хаббл исследовал туманность Андромеды. К 1923 году ему удалось рассмотреть, что ее окраины представляют собой скопления отдельных звезд. Хаббл рассчитал расстояние до туманности. У него оказалось – 900 000 световых лет (более точно рассчитанное на сегодняшний день расстояние составляет 2,3 миллиона световых лет). То есть туманность находится далеко за пределами Млечного Пути – Нашей Галактики. Пронаблюдав эту и другие туманности, Хаббл пришел к выводу о структуре Вселенной.
Вселенная состоит из набора огромных звездных скоплений – галактик .
Именно они и представляются нам в небе далекими туманными «облаками», поскольку отдельных звезд на столь огромном удалении мы рассмотреть попросту не можем.
Э. Хаббл подметил важный аспект в полученных данных, который астрономы наблюдали и прежде, но интерпретировать затруднялись. А именно: наблюдаемая длина спектральных световых волн, излучаемых атомами удаленных галактик, несколько больше длины спектральных волн, излучаемых теми же атомами в условиях земных лабораторий. То есть в спектре излучения соседних галактик квант света, излучаемый атомом при скачке электрона с орбиты на орбиту, смещен по частоте в направлении красной части спектра по сравнению с аналогичным квантом, испущенным таким же атомом на Земле. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта Доплера.
Все наблюдаемые соседние галактики удаляются от Земли, поскольку практически у всех галактических объектов за пределами Млечного Пути наблюдается именно красное спектральное смещение, пропорциональное скорости их удаления.
Самое главное, Хабблу удалось сопоставить результаты своих измерений расстояний до соседних галактик с измерениями скоростей их удаления (по красному смещению).
Математически закон формулируется очень просто:
где v – скорость удаления галактики от нас,
r – расстояние до нее,
H – постоянная Хаббла.
И, хотя изначально Хаббл пришел к этому закону по результатом наблюдения всего нескольких ближайших к нам галактик, ни одна из множества открытых с тех пор новых, все более удаленных от Млечного Пути галактик видимой Вселенной, из-под действия этого закона не выпадает.
Итак, главное следствие закона Хаббла:
Вселенная расширяется.
Расширяется сама ткань мирового пространства. Все наблюдатели (и мы с вами не исключение) считают себя находящимися в центре Вселенной.
4. Теория Большого Взрыва
Из экспериментального факта разбегания галактик был оценен возраст Вселенной. Он оказался равным – около 15 миллиардов лет! Так началась эпоха современной космологии.
Естественно возникает вопрос: а что было в начале? Всего около 20 лет понадобилось ученым, чтобы вновь полностью перевернуть представления о Вселенной.
Ответ предложил выдающийся физик Г. Гамов (1904 – 1968) в 40-ые годы. История нашего мира началась с Большого взрыва. Именно так думает большинство астрофизиков и cегодня.
Большой взрыв – это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объеме Вселенной. Все вещество мироздания было сжато в плотный комок протоматерии, заключенный в совсем небольшом в сопоставлении с нынешними масштабами Вселенной объеме.
Представление о Вселенной, родившейся из сверхплотного сгустка сверхгорячего вещества и с тех пор расширяющейся и остывающей, получило название теории Большого взрыва.
Более удачной космологической модели происхождения и эволюции Вселенной на сегодня не имеется.
Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная состояла из фотонов, электронов и других частиц. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами. По мере расширения Вселенной, она остывала, и на определенном этапе электроны стали соединяться с ядрами водорода и гелия и образовывать атомы. Это случилось при температуре около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. С этого момента фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Но нам остались «свидетели» той эпохи – это реликтовые фотоны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно ее заполняет. В результате дальнейшего остывания излучения его температура снизилась и сейчас составляет около 3 К.
Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Оно рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.
«В 1744 году швейцарский астроном де Шезо и независимо от него в 1826 году Ольберс сформулировали следующий парадокс, — пишет в своей книге Т. Редже, — который привел к кризису тогдашних наивных космологических моделей. Представим себе, что пространство вокруг Земли бесконечно, вечно и неизменно и что оно равномерно заполнено звездами, причем их плотность в среднем постоянна. С помощью несложных вычислений Шезо и Ольберс показали, что полное количество света, посылаемое на Землю звездами, должно быть бесконечным, из-за чего ночное небо будет не черным, а, мягко говоря, залито светом. Чтобы избавиться от своего парадокса, они предположили существование в космосе обширных блуждающих непрозрачных туманностей, заслоняющих наиболее отдаленные звезды. На самом деле так выйти из положения нельзя: поглощав свет от звезд, туманности поневоле нагревались бы и сами излучали свет так же, как и звезды.
Итак, если справедлив космологический принцип, то мы не можем принять идею Аристотеля о вечной и неизменяющейся Вселенной. Здесь, как и в случае относительности, природа, похоже, предпочитает в своем развитии симметрию, а не мнимое Аристотелево совершенство».
Однако самый серьезный удар незыблемости Вселенной был нанесен не теорией эволюции звезд, а результатами измерений скоростей удаления галактик, полученными великим американским астрономом Эдвином Хабблом.
Хаббл (1889—1953) родился в небольшом городке Маршфилд в штате Миссури в семье страхового агента Джона Пауэла Хаббла и его супруги Виржинии Ли Джеймс. Астрономией Эдвин заинтересовался рано, вероятно, под влиянием своего деда по матери, построившего себе небольшой телескоп."
В 1906 году Эдвин окончил школу. Шестнадцатилетним юношей Хаббл поступил в Чикагский университет, входивший тогда в первую десятку лучших учебных заведений США. Там работал астроном Ф.Р. Мультон, автор известной теории происхождения Солнечной системы. Он оказал большое влияние на дальнейший выбор Хаббла.
После окончания университета Хабблу удалось получить стипендию Родса и на три года уехать в Англию для продолжения образования. Однако вместо естественных наук ему пришлось изучать в Кембридже юриспруденцию.
Летом 1913 года Эдвин возвратился на родину, но юристом так и не стал. Хаббл стремился к науке и вернулся в Чикагский университет, где на Йеркской обсерватории под руководством профессора Фроста подготовил диссертацию на степень доктора философии. Его работа представляла собой статистическое исследование слабых спиральных туманностей в нескольких участках неба и особенной оригинальностью не отличалась. Но уже тогда Хаббл разделял мнение о том, что «спирали — это звездные системы на расстояниях, часто измеряемых миллионами световых лет».
В это время в астрономии приближалось большое событие — обсерватория Маунт-Вилсон, которую возглавлял замечательный организатор науки Д.Э. Хейл, готовилась к вводу в строй крупнейшего телескопа — стодюймового рефлектора (250-сантиметрового — Прим. авт.). Приглашение работать в обсерватории среди других получил и Хаббл. Однако весной 1917 года, когда он заканчивал свою диссертацию, США вступили в Первую мировую войну. Молодой ученый отклонил приглашение и записался добровольцем в армию. В составе Американского экспедиционного корпуса майор Хаббл попал в Европу осенью 1918 года, незадолго до окончания войны, и в боевых действиях принять участие не успел. Летом 1919 года Хаббл демобилизовался и поспешил в Пасадену, чтобы принять приглашение Хейла.
На обсерватории Хаббл начал изучать туманности, сосредоточившись сначала на объектах, видимых в полосе Млечного Пути.
В хрестоматии «Книга первоисточников по астрономии и астрофизике, 1900—1975» К. Ланга и О. Гингерича (США), где воспроизведены самые выдающиеся исследования за три четверти двадцатого столетия, помещены три работы Хаббла, и первая из них — работа по классификации внегалактических туманностей. Две другие относятся к установлению природы этих туманностей и открытию закона красного смещения.
В 1923 году Хаббл приступил к наблюдениям туманности в созвездии Андромеды на шестидесяти и стодюймовых рефлекторах. Ученый сделал вывод, что большая Туманность Андромеды действительно другая звездная система. Такие же результаты Хаббл получил и для туманности МОС 6822 и туманности в Треугольнике.
Хотя об открытии Хаббла вскоре стало известно ряду астрономов, официальное сообщение последовало лишь 1 января 1925 года, когда на съезде Американского астрономического общества Г. Рессел зачитал доклад Хаббла. Известный астроном Д. Стеббинс писал, что доклад Хаббла «во сто крат расширил объем материального мира и с определенностью решил долгий спор о природе спиралей, доказав, что это гигантские совокупности звезд, почти сравнимые по размерам с нашей собственной Галактикой». Теперь Вселенная предстала перед астрономами пространством, заполненным звездными островами — галактиками.
Уже одно установление истинной природы туманностей определило место Хаббла в истории астрономии. Но на его долю выпало и еще более выдающееся достижение — открытие закона красного смещения.
Спектральные исследования спиральных и эллиптических «туманностей» были начаты в 1912 году на основе таких соображений1 если они действительно расположены за пределами нашей Галактики, то они не участвуют в ее вращении и поэтому их лучевые скорости будут свидетельствовать о движении Солнца. Ожидалось, что эти скорости будут порядка 200—300 километров в секунду, т. е. будут соответствовать скорости движения Солнца вокруг центра Галактики.
Между тем, за несколькими исключениями, лучевые скорости галактик оказались гораздо больше: они измерялись тысячами и десятками тысяч километров в секунду.
В середине января 1929 года в «Труды» Национальной академии наук США Хаббл представил небольшую заметку под названием «О связи между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». В то время Хаббл уже имел возможность сопоставить скорость движения галактики с расстоянием до нее для 36 объектов. Оказалось, что эти две величины связаны условием прямой пропорциональности: скорость равна расстоянию, умноженному на постоянную Хаббла.
Это выражение получило название закона Хаббла. Численное значение постоянной Хаббла ученый в 1929 году определил в 500 км/(с х Мпк). Однако он ошибся в установлении расстояний до галактик. После многократных исправлений и уточнений этих расстояний численное значение постоянной Хаббла сейчас принимается равным 50 км/(с х Мпк).
На обсерватории Маунт-Вилсон началось определение лучевых скоростей все более удаленных галактик. К 1936 году М. Хьюмасон публикует данные для ста туманностей. Рекордную скорость в 42 000 километров в секунду удалось зарегистрировать у члена далекого скопления галактик в Большой Медведице. Но это уже было пределом возможностей стодюймового телескопа. Нужны были более мощные инструменты.
«Можно подойти к вопросу о хаббловском расширении космоса, используя более привычные, интуитивные образы, — считает Т.Редже. — Например, представим себе солдат, выстроенных на какой-нибудь площади с интервалом 1 метр. Пусть затем подается команда раздвинуть за одну минуту ряды так, чтобы этот интервал увеличился до 2 метров. Каким бы образом команда ни выполнялась, относительная скорость двух рядом стоявших солдат будет равна 1 м/мин, а относительная скорость двух солдат, стоявших друг от друга на расстоянии 100 метров, будет 100 м/ мин, если учесть, что расстояние между ними увеличится от 100 до 200 метров. Таким образом, скорость взаимного удаления пропорциональна расстоянию. Отметим, что после расширения рядов остается справедливым космологический принцип: «галактики-солдаты» по-прежнему распределены равномерно, и сохраняются те же пропорции между различными взаимными расстояниями.
Единственный недостаток нашего сравнения заключается в том, что на практике один из солдат все время стоит неподвижно в центре площади, в то время как остальные разбегаются со скоростями тем большими, чем больше расстояния от них до центра. В космосе же нет верстовых столбов, относительно которых можно было бы провести абсолютные измерения скорости; такой возможности мы лишены теорией относительности: каждый может сравнивать свое движение только с движением рядом идущих, и при этом ему будет казаться, что они от него убегают.
Мы видим, таким образом, что закон Хаббла обеспечивает неизменность космологического принципа во все времена, и это утверждает нас в мнении, что как закон, так и сам принцип действительно справедливы.
Другим примером интуитивного образа может служить взрыв бомбы; в этом случае, чем быстрее летит осколок, тем дальше он улетит. Спустя мгновение после самого взрыва мы видим, что осколки распределены в соответствии с законом Хаббла, т е. их скорости пропорциональны расстояниям до них. Здесь, однако, нарушается космологический принцип, поскольку если мы отойдем достаточно далеко от места взрыва, то никаких осколков не увидим. Этим образом подсказан самый знаменитый в современной космологии термин «большой взрыв». Согласно этим представлениям, около 20 млрд. лет тому назад все вещество Вселенной было собрано в одной точке, из которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров».
Закон Хаббла практически сразу же был признан в науке. Значение открытия Хаббла высоко оценил Эйнштейн. В январе 1931 года он писал: «Новые наблюдения Хаббла и Хьюмасона относительно красного смещения... делают вероятным предположение, что общая структура Вселенной не стационарная».
Открытие Хаббла окончательно разрушило существовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной. В настоящее время закон Хаббла используется для определения расстояний до далеких галактик и квазаров.
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.
) со скоростью его удаления. Обычно обозначается буквой H . Имеет размерность, обратную времени (H = 2,3·10 −18 с −1), но выражается обычно в км/с на мегапарсек .
Наиболее надёжная оценка постоянной Хаббла на 2010 год составляет 70,4+1,3 -1,4 (км/с)/Мпк ; таким образом, в современную эпоху две галактики, разделённые расстоянием в 1 Мпк, в среднем разлетаются со скоростью ~70 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. Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент. Для значения постоянной Хаббла, равной 70,4 (км/с)/Мпк (или 2,28·10 −18 c −1), время жизни Вселенной составляет около 4,38·10 17 с или 13,9·10 9 лет.
Примечания
См. также
Ссылки
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Постоянная Хаббла" в других словарях:
- (обозначение Н0), показатель скорости удаления галактик (КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ), который возрастает с увеличением расстояния от нас, согласно ЗАКОНУ ХАББЛА. Нулевой индекс означает, что эта величина определяет уровень расширения пространства в… … Научно-технический энциклопедический словарь
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… … Википедия
Скорость v удаления астрономич. объекта пропорциональна расстоянию r до него, т.е. v = Hr, где Я постоянная Хаббла. Закон хорошо выполняется для галактик, не входящих в скопления, и скоплений галактик как целого. Открыт Э. Хабблом в 1929 при… …
- (по имени амер. астронома Э. Хаббла (E. Hubble)) (Н), коэффициент пропорциональности между скоростями удаления внегалактич. объектов, вызванного космологич. расширением видимой Вселенной, и расстояниями r(t) =r0 R(t) до них (Л т. н. масштабный… … Физическая энциклопедия
- (обозначается Н) коэффициент в законе Хаббла, выражающем линейную связь скорости v космологического разбегания (разлета) скоплений галактик в зависимости от расстояния r до них: v = Hr, где H ? 50 100 км/(с.Мпк) … Большой Энциклопедический словарь
Пропорциональность скорости uудаления внегалактич. объекта расстоянию до него r: где Н Хаббла постоянная. X. з. хорошо выполняется для галактик, не входящих в скопления, и скоплений галактик как целого. Открыт Э. П. Хабблом (E. P. Hubble) в 1929… … Физическая энциклопедия
- (обозначается Н), коэффициент в законе Хаббла, выражающем линейную связь скорости v космологического разбегания («разлёта») скоплений галактик в зависимости от расстояния r до них: v = Hr, где H; 50 100 км/(с·Мпк). * * * ХАББЛА ПОСТОЯННАЯ ХАББЛА… … Энциклопедический словарь
- (обозначается Я), коэф. в законе Хаббла, выражающем линейную связь скорости v космологич. разбегания (разлёта) скоплений галактик с расстоянием r до них: v = Hr, где H 50 100 км/(с*Мпк). Назв. по имени Э. Хаббла … Естествознание. Энциклопедический словарь
- (Н) коэффициент, выражающий линейную связь скорости v космологического разбегания скоплений галактик в зависимости от расстояния r до них: v = Нr (закон Xаббла), где H = 100 км/с·Мпк. Названа в честь американского астронома Э. П. Хаббла (1889… … Астрономический словарь
Постоянная Хаббла коэффициент, входящий в закон Хаббла, который связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления. Имеет размерность, обратную времени (H=2,3×10 18 с 1), но выражается обычно в км/с… … Википедия
