Красное смещение и закон хаббла кратко

Обновлено: 05.07.2024

Расширение пространства

Красное смещение и квазары

Х. Арп, один из первооткрывателей квазаров, предполагает, что эти объекты обладают собственным, внутренним, красным смещением. Оно не зависит от удаления объекта. Квазары-достаточно маленькие объекты в космических масштабах. Но если красные смещения верны в свете закона Хаббла, то и расстояния до них, и их массы, да и скорости их удаления будут иметь громадные величины.

Скорости у квазаров, удалённых от нас на миллиарды световых лет, могут достигать десятков тысяч км/сек.

Красное смещение объекта 3С48 показывает, что его скорость составляет около половины скорости света, а расстояние до него – 3,78 млрд. световых лет. А квазар 3С196 вообще побил все рекорды: его удаление – 12 млрд. световых лет, а скорость почти 200 тысяч км/сек!

Некоторые астрономы подвергают сомнению теорию красного смещения, вернее, вывода, что его природа заставляет галактики обязательно разбегаться, да ещё с фантастическими скоростями. Была выдвинута идея, что свет, из-за чрезвычайно долгого путешествия сквозь разреженный газ межгалактического пространства, краснеет. Это происходит из-за потери спектром коротких волн, и туманности становятся краснее, хотя линии спектра не смещаются. Но красное смещение подразумевает именно этот процесс. Возможно, свет, бесконечно долго путешествуя во Вселенной, теряет часть своей энергии. Из-за этого происходит удлинение волн, порождающее красное смещение, но не связанное с разбеганием галактик. Однако, эта теория ещё не нашла подтверждения, никто еще не смог доказать, что свет каким-либо образом может терять энергию. Да и куда эта энергия девается — большой вопрос. На примере квазаров видно: чем они дальше от нас, тем больше их красное смещение, и как говорилось, соответственно, больше их скорость удаления.

Закон Хаббла является одним из основных в современной астрономической науке. На нём построены многие расчёты. Он лежит в основе существующих в настоящее время в астрономии суждений о строении и эволюции Мира. Суть его заключается в смещении спектральных линий источника излучения в сторону красной их части, т. е. в сторону увеличения длины волн. В 1929 году американский астроном Э.Хаббл предложил формулу, в соответствии с которой скорость разлёта (“разбегания”) галактик находится в прямо пропорциональной зависимости от расстояния до них, т. е. от Солнечной системы: v = Hr, где H - постоянная Хаббла, r - расстояние до источника света. Таким образом, фактически создаётся очень странная ситуация: очередной раз Земля и Солнечная система ставятся в центр Вселенной.

Расчёты Э.Хаббла основаны на эффекте Доплера: если источник света приближается к наблюдателю, спектральные линии смещаются в сторону более коротких волн (синее смещение), если же удаляется - в сторону длинных волн (красное смещение). На основании изучения спектров галактик, астрономическая наука пришла к выводу о всё более возрастающей скорости их разлёта. Да, закон Хаббла привлекателен своей простотой. Однако обнаруживается всё большее число противоречащих фактов.

При взаимодействии рентгеновского излучения с веществом происходит упругое рассеяние его на свободных электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны, т. е. частичный захват энергии рентгеновских лучей. Этот результат опытов показывает, что при прохождении в космическом пространстве космические лучи теряют энергию в материи Пространства и Вакуума, т. е. создают ложный эффект Хаббла, не учитываемый законом Э.Хаббла (см. § 14.14: примечание к открытию А.Х.Комптона, 1923).

Известный астроном Х.Арп (из обсерваторий Маунт-Вилсон и Лас-Компанос) называет закон Хаббла “единственным шатким предположением (подчёркнуто мной - Б.А.), лежащим в основе современной астрономии и космологии” [224]. Х.Арп наблюдал много объектов с красным смещением, которые не подчиняются закону Хаббла. Так, квазары, обладающие наибольшим красным смещением, по закону Хаббла, должны быть самыми удаленными объектами Вселенной. Однако они находятся не дальше галактик.

Вывод о расширении Вселенной является следствием теории “Большого Взрыва”. В противоречии с ним стоят полученные в последние годы разными группами астрономов данные о том, что Местная группа галактик, в которую входит и Млечный Путь, как бы затягивается сверхскоплением галактик в направлении созвездий Гидры и Кентавра. Однако и это сверхскопление, в свою очередь, устремлено к ещё более массивной концентрации вещества. Таким образом, если ориентироваться на красное смещение, то идёт концентрация галактик в направлении “Великого Аттрактора”, по терминологии А.Дресслера [121] (лат attrahere - привлекать), т. е. в направлении созвездий Девы, Гидры, Кентавра. Это скорее говорит о сжатии Вселенной, чем о её расширении. Ещё одно весьма существенное противоречие заключается в том, что галактики с синим смещением расположены в разных направлениях небесной сферы по отношению к Млечному Пути, т. е. как бы устремлены к нему, хотя очевидно, что Млечный Путь - не центр Вселенной. Эти противоречия указывают на то, что современная астрономия попала в весьма щекотливое положение, связанное с оценкой красного смещения, которое не позволяет судить ни о скорости смещения галактик и других объектов Вселенной по отношению к Солнечной системе, ни о расстояниях до них. Из этого следует, что должны быть и другие объяснения красного смещения.

И только синтез знаний, сопоставление разных теорий и суждений позволяет решить этот вопрос. В связи с идеей стационарной Вселенной, выдвинутой астрофизиками Г.Голдом, Г.Бонди и Ф.Хойлом, у приверженцев этой гипотезы возникла идея о старении фотонов. Суть сводится к тому, что фотоны могут терять кванты энергии в пространстве, пока дойдут до Земли. По этому предположению, именно старение фотонов и даёт красное смещение. Однако астрономы еще несколько лет назад не могли ответить на вопрос, за счёт чего происходит старение фотонов, каким космическим структурам они могут отдавать свою энергию? Закон квадрупольно-кристаллической организации Мира, космологическая теория структурной организации Вакуума и Пространства Космоса [133] (см. гл. 39) позволяют ответить на этот вопрос со всей определённостью - частицам структурированного космического Вакуума и Пространства. По мере перемещения луча света в пространстве происходит частичный захват его энергии этими и другими частицами Космоса. При этом захватывается преимущественно наиболее энергетически насыщенная часть луча, соответственно эволюционному уровню частиц Пространства и Вакуума, т. е. синяя часть спектра. В результате цветовой спектр всё более смещается в сторону красного спектра

Захватывая энергию светового луча или других видов излучений, свободные частицы или космические тела стремятся нормализовать необходимое для их жизнедеятельности количество энергии. При этом, в соответствии с Законом достаточности, или саморегуляции, они забирают энергию в количестве, необходимом для их жизнедеятельности, на что косвенно указывают, в частности, исследования М.Боденштейна (1913) и А.Х.Комптона (1923) (см. § 14.14).

Таким образом, отвергавшееся большинством астрофизиков предположение о старении фотонов вследствие потери ими квантов энергии теперь получило подтверждение в работах учёных-космистов. Очевидно, есть и другая причина так называемого “красного смещения”. Она заключается в характере собственного излучения космических тел в соответствии со стадиями их эволюционного развития. Космические тела и системы (звёзды, галактики, квазары и т. д.) - это живые, эволюционирующие субъекты Мира, находящиеся в разных фазах их развития. Космические тела и системы типа квазаров имеют собственный голубоватый свет. Свет более зрелых космических систем по мере их старения приобретает всё более красноватый оттенок. Это может восприниматься за красное смещение, возникающее, якобы, за счёт удаления этой системы от наблюдателя на Земле[44]. При неучёте этого обстоятельства неизбежно произойдёт суммирование красного смещения и переноса его только за счёт удаляющегося космического тела, скорость которого таким образом будет завышена. И наоборот: в случае движения “старого” космического тела в сторону наблюдателя оценка его скорости также будет ошибочной, но в сторону её уменьшения. С молодыми космическими телами всё будет наоборот: за счёт их собственного преимущественно коротковолнового излучения, т. е. смещённого в сторону ультрафиолета, при их сближении с наблюдателем оценка скорости будет завышена, а при удалении от него - занижена.

Этим обстоятельством также может быть объяснена разная величина красного смещения галактик, находящихся примерно на одинаковом расстоянии от нашей Галактики в одной части небесной сферы, как это можно видеть на схематическом рисунке [143, с. 19]. На нём показаны синее и красное смещения спектров галактик в области размером в несколько сотен миллионов световых лет. При этом максимальное красное смещение отмечается в двух направлениях: Павлина-Индейца и Гидры-Кентавра. Угол между этими направлениями около 60-65 о . Он приблизительно соответствует секторному углу 62,8 о , охватывающему всю 4-ю фазу спирального витка. Это даёт основание заключить, что движение галактик по их круговым орбитам, по крайней мере входящих в это поле (несколько сотен миллионов световых лет), происходит в направлении от Павлина-Индейца к Гидре-Кентавру и Деве. Расчёты, выполненные на основании принципов Закона периодизации эволюции (§ 14.2.2), показали, что именно в узловых точках управляющих космических систем зарождаются подчинённые или потомственные космические системы. Учитывая это, можно полагать, что буквально рядом с направлением на Гидру-Кентавра и Деву должна находиться одна из наиболее древних групп галактик, в сторону которой и происходит смещение межфазовой или Главной плоскости Вселенной[45]. И действительно, здесь мы видим два массива галактик: один с красным смещением, на смену которому в направлении созвездия Девы движется массив молодых групп и скоплений галактик с синим смещением. Автор статьи [143], очевидно, вследствие отсутствия у него каких-либо объяснений этому факту, не придал ему какого-либо значения, кроме как зафиксировав смещение видимых спектров галактик.

Что же касается большего красного смещения галактик, находящихся на очень большом расстоянии от Солнечной системы, то это может быть результатом старения фотонов, но не слияния и взаимодействия сталкивающихся галактик, что невозможно [39].

Таким образом, помимо доплеровского эффекта могут быть и другие причины красного смещения.

Остаётся открытым вопрос, а существует ли разлёт галактик, вселенных? - Да, существует, так как существует давление потоков энергий, испускаемых космическими телами, что показали опыты П.Н.Лебедева (1899). Максимальное давление на космические тела оказывают энергии, испускаемые энергетически наиболее мощными их источниками - Ядром Мира и Ядрами вселенных. Суммирование векторов потоков энергий, испускаемых разными космическими системами, создаёт ускоряющее воздействие на движение космических тел и, соответственно, динамическую картину разлёта космических тел в тех или иных направлениях. Однако скорость разлёта регулируется гравитационными силами Ядра Мира, Ядер вселенных и галактик.

Таким образом, помимо доплеровского эффекта могут быть и другие причины красного смещения.

Идея расширяющейся Вселенной не сразу завоевала твердые позиции в научном мире. Она возникла благодаря спектральному анализу излучения космических объектов. О том, что представляет собой красное смещение, подтвердившее общепринятую теперь теорию разлета галактик, и кем это явление было открыто, – в материале 24СМИ.

Что такое красное смещение

Чем объясняется красное смещение в спектрах галактик

Красное смещение ближайшего к Солнечной системе квазара 3C 273 равно всего z = 0,158 / ESA/Hubble & NASA

Сущность описываемого эффекта формулируется так: чем линии ближе к красной стороне спектрограммы, тем выше скорость, с которой растет дистанция между наблюдателем и источником излучения.

Открытие явления

Красное смещение открыл американец Весто Слайфер еще в начале XX века: спектральный анализ ряда галактик показал наличие сдвига длин волн испускаемого ими излучения в красную область. Истолковать это с точки зрения какой-либо космологической теории на том этапе развития астрофизики представлялось невозможным. Поэтому ученый воспользовался для объяснения обнаруженного явления представлениями о доплеровском эффекте, согласно которым вышло, что галактики стремительно удалялись от Солнечной системы.

Так астроном пришел к открытию своего закона, выражающегося формулой v = Hr, где v – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, H – коэффициент пропорциональности. Обнаруженные после изысканий Хаббла галактики тоже подчиняются этому закону, а значит, сделанные американским астрономом выводы приобрели иной масштаб – красное смещение в спектрах галактик свидетельствует о расширении Вселенной.

Как определяют расстояние до галактик

Благодаря закону Хаббла современные исследователи космоса получили инструмент, способствующий насколько это возможно точному определению местоположения галактик и их скоплений.

По закону Хаббла скорость удаления исследуемого объекта обязана быть равной расстоянию до него, умноженному на число Н, названное в честь выведшего эту зависимость ученого. Сегодня постоянная Хаббла принимается равной H = 70 км/(с•Мпк), где Мпк – мегапарсек. Расстояние по красному смещению определяют, используя этот закон: находят величину сдвига в красную область и делят на упомянутый фиксированный коэффициент.

Применяя закон Хаббла, астрономы оценивают размеры Вселенной. Они измеряют величины сдвигов спектральных линий излучений наиболее удаленных объектов и используют постоянную Хаббла для определения расстояний до галактик. Таким образом, красное смещение помогает установить скорость космического объекта, а следовательно, и его дальность.

Реликтовое излучение

Наибольшее красное смещение фиксируют в процессе анализа реликтового излучения. Последнее представляется еще одним фактом, свидетельствующим о расширении Вселенной. Его открыли в 1965 году. Это слабое фоновое радиоизлучение, приходящее к нам равномерно со всех сторон с очень высокой степенью изотропности. Никакие найденные космические объекты не могли бы испускать подобное в текущее время.

Единственным объяснением этого феномена является излучение Вселенной в раннюю эпоху. По расчетам, оно берет начало примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва, когда космическое пространство только начало эволюционировать. Для реликтового излучения космологический фактор Z, использующийся для количественной характеристики эффекта красного смещения, приближается к 1400.

Другая теория

Современные астрономы единогласно объясняют красное смещение с помощью эффекта Доплера, ведущего к идее расширения Вселенной. Но встречается и альтернативная гипотеза, призванная опровергнуть общепринятую теорию.

Гипотеза основывается на предположении о том, что за время блуждания по космическим просторам свет частично лишается энергии. Поэтому волны удлиняются, демонстрируя красное смещение, никак не указывающее при этом на разбегание галактик. Утверждение не располагает доказательной базой, поскольку потеря светом энергии – явление, не подтвержденное наукой.

Красное смещение и квазары

На расширение Вселенной указывает и анализ спектрограмм квазаров – предельно удаленных источников радиоизлучения. Исследования позволили установить: спектральные линии этих излучающих объектов в значительной мере смещены в сторону длинных волн. Ни одна галактика не показывала прежде такого красного смещения в собственном спектре.

Синее смещение

Есть и противоположный красному смещению эффект – синее смещение. Такое название дали явлению, при котором линии видимого электромагнитного излучения в спектрах далеких галактик характеризуются сдвигом к коротковолновому концу. Этот феномен тоже объясняется движением источника излучения, только в этом случае он становится не дальше, а ближе. Существуют модели Вселенной, где ее эволюционное развитие на отдельной стадии предполагает, что свободная электромагнитная волна испытывает космологическое синее смещение.

Пример такого явления ученые нашли в квазаре GB1508+5714, который удаляется от нашей галактики со скоростью, превышающей световую в 1,13 раза, и имеет красное смещение 4,3. Джет этого объекта направлен на смотрящего с Земли, но скорость его частиц не достигает световой, поэтому расстояние между наблюдателем и квазаром неминуемо увеличивается, а не сокращается.

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.

$D = \frac<1> V_r$

$D = \frac<1> cz$
,

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):

$t_H = \frac<r> = \frac$
,

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.

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

$V=\frac<dD> = H_0D$

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

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.

Читайте также: