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 V_r (разбегания) наблюдается линейная зависимость:

$D \propto V_r$.

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.

График из оригинальной работы Хаббла 1929 года. В величинах расстояний Хабблом была допущена ошибка (обусловленная несовершенством тогдашних средств наблюдения), исправленная позднее Сендиджем, Бааде и др. Со времени работы Хаббла, значение постоянной подправили примерно в 8 раз. Хаббл считал, что она составляет около 500 км/с на мегапарсек. Современное значение 74,2 ± 3,6 км/с на мегапарсек.

Более точно:

$D = \frac{1}{H_0}V_r$

или

$D = \frac{1}{H_0}cz$,

где

• c — скорость света,
• z = δl/l — красное смещение (относительное увеличение длин волн спектральных линий в спектрах галактик),
• H₀ — постоянная Хаббла.

С помощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возраст Вселенной (в предположении, что "разбегание" галактик действительное):

$t_H = \frac{r}{V} = \frac{1}{H_0}$,

этот возраст лишь по порядку соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.

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.

Космология

Возраст Вселенной Большой взрыв Содвижущееся расстояние Реликтовое излучение Космологическое уравнение состояния Тёмная энергия Скрытая масса Вселенная Фридмана Космологический принцип Космологические модели Формирование галактик Закон Хаббла Космическая инфляция Крупномасштабная структура космоса Критическая плотность Модель Лямбда-CDM‎ Расширение Вселенной Нуклеосинтез Наблюдаемая Вселенная Космологическое красное смещение Форма Вселенной Формирование структуры Хронология Большого взрыва Графическая хронология Хронология космологии Безусловная судьба Вселенной Вселенная

Родственные темы

Астрофизика ОТО Физика элементарных частиц Квантовая гравитация Эволюция Синергетика

Шаблон: Просмотр • Обсуждение • Править

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.

Второе замечание заключается в том, что расширение Вселенной не является простым разлётом галактик в пустом пространстве. Оно заключается в динамическом изменении самого пространства. Непонимание этого факта часто заставляет делать неверные заключения авторов даже серьёзной литературы. Например, часто говорят, что скорость убегания галактик не должна превышать скорость света и потому на тех расстояниях, где это должно наблюдаться, должны наблюдаться и отклонения от закона Хаббла. Это не так: согласно общей теории относительности, должны существовать и наблюдаться галактики, убегающие быстрее света ^[1].

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

$\displaystyle cz \approx H_0D$

является приближённым, в то время как равенство

$V=\frac{dD}{dt} = H_0D$

где D - 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.

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.

Ссылки

1. ↑ См., например, Парадоксы Большого взрыва

См. также

• Космологическое красное смещение
• Расширение Вселенной
• Космологический принцип

Внешние ссылки

• Космология
• Парадоксы Большого взрыва
• G.A. Tammann, B. Reindl, Cosmic Expansion and Ho: A Retro- and Pro-Spective Note
• G.A. Tammann, The Ups and Downs of the Hubble Constant
• Вселенная может оказаться больше и старше CompuLenta.ru