О чем свидетельствует разбегание галактик кратко
Обновлено: 08.07.2024
Вселенная – это мир галактик. Все в этом мире находится в движении. Галактики вращаются, движутся, задевают друг друга краями, сливаются, проходят друг через друга. В галактиках вращаются и движутся по своим орбитам звезды, плывут на гигантской скорости газопылевые облака, из центральных частей галактик могут вылетать куски раскаленной плазмы. Пространство между галактиками пронизано частицами света – фотонами, летящими с максимальной в природе скоростью, и другими частицами, которые летят почти с такой же скоростью. Все в космосе движется.
Но оказывается, этим совсем не исчерпывается движение во Вселенной.
Закон Хаббла
Оказывается, все галактики удаляются от нашего Млечного Пути и друг от друга. Поэтому расстояния между галактиками постоянно увеличиваются. Это явление называется разбеганием галактик. Его открыли независимо друг от друга ученый и монах Леметр во Франции и астроном Хаббл в США.
Чем дальше друг от друга находятся галактики, тем с большей скоростью они разлетаются. Например, галактика, которая находится от нас в 2 раза дальше, удаляется с вдвое большей скоростью, чем близкая, а та, что находится в 10 раз дальше, удаляется со скоростью в 10 раз большей и т.д. Это соотношение называется законом Хаббла.
На языке математики закон Хаббла говорит, что скорость удаления галактики равна расстоянию до нее, умноженному на число, одинаковое для всех галактик. Это число называется постоянной Хаббла.
Как определяют скорости галактик. Что такое красное смещение
Галактики находятся так далеко от нас, что кажутся неподвижными. Как же астрономы измеряют их скорости? Для этого существует специальный метод. Вот на чем он основан.
Представим, что мы стоим на железнодорожной станции и ждем электричку или поезд. Когда локомотив приближается к станции, машинист дает длинный гудок. И пока поезд приближается к нам, тон гудка становится все выше. Поезд проносится мимо, и тон гудка начинает снижаться. Чем быстрее приближается состав, тем выше тон гудка, и чем быстрее удаляется, тем ниже. Поэтому по изменению тона гудка можно определить скорость состава.
Гудок создает звуковые волны, и наше ухо воспринимает их как звук. Звук бывает выше и ниже, и мы говорим, что он имеет разную частоту.
Свет – это тоже волны. Он может иметь разную частоту точно так же как звук. Звезды, движущиеся с разными скоростями, излучают свет разной частоты. А свет разной частоты по-разному окрашен. Если галактика удаляется, свет ее звезд становится более красным. Насколько он станет краснее, зависит от скорости галактики.
“Покраснение” света называется красным смещением. Астрономы определяют красное смещение галактики с помощью специальных приборов, установленных на телескопах, и затем находят ее скорость.
Астрономы обнаружили, что галактики, расположенные на расстоянии около 100 миллионов световых лет от нас, удаляются со скоростью 2100 километров в cекунду. Это было найдено с помощью телескопа “Хаббл”, установленного на борту космического корабля, который летает по орбите вокруг Земли.
Почему галактики разбегаются
Что заставляет галактики разбегаться, и к тому же с такими громадными скоростями? Ответ на этот вопрос совсем не прост. На самом деле галактики вовсе не разбегаются. Расширяется пространство Вселенной, в котором находятся галактики.
Как представить себе расширение всего пространства? Ученые приводят такой наглядный пример, объясняющий расширение Вселенной.
Возьмем воздушный шарик и нарисуем на нем точки. А теперь начнем надувать шарик. Он сделан из эластичной пленки, которая легко растягивается. Шарик будет раздуваться, и его поверхность начнет растягиваться. Нарисованные на шарике точки будут удаляться друг от друга. Чем дальше друг от друга точки были вначале, тем быстрее они будут разбегаться. Шарик – это модель нашей Вселенной, а нарисованные на нем точки – галактики. Вселенная раздувается как воздушный шарик, и мы видим, что галактики удаляются друг от друга. Чем дальше расположены галактики, тем с большей скоростью они разлетаются.
Но почему Вселенная расширяется? Это вопрос о Вселенной в целом. Отвечает на такие вопросы специальная область физики и астрономии – космология. Космологи узнали совершенно неожиданные вещи о нашей Вселенной. И о них мы расскажем в отдельной книжке.
Наша книжка о мире галактик закончена.
Открытия современной науки помогли нам увидеть стройность и красоту Вселенной. Она создана Творцом. Когда были созданы звезды, восхвалиша Меня великим гласом все Ангелы Мои (Иов: 38, 7). Совершенство Вселенной зримо воплощено в звездном небе над нашей головой. Оно приводит человека в благоговейный трепет.
А кому-то Вселенная покажется пугающей: невообразимо громадные, абсолютно безжизненные пространства, фантастические по мощи процессы в центрах галактик.
И тогда, думая о Вселенной, мы, может быть, еще раз осознаем милость Творца, создавшего планету для нашей жизни в этом огромном мире
Важным результатом наблюдений за галактиками явилось открытие, что они не стоят на месте, а движутся. К тому же все они (кроме самых близких, таких как туманность Андромеды) удаляются от нас и друг от друга. Можно сказать, что Вселенная в целом расширяется. Разбегание галактик наблюдается во всех частях Вселенной, доступных наблюдениям. Оно было обнаружено по спектрам принимаемого от них света. Оказалось, что спектральные линии излучения атомов разных химических элементов сдвинуты (по сравнению с их положением на Земле) в сторону больших длин волн, то есть к красному краю спектра видимого света. Такой сдвиг спектральных линий, прозванный красным смещением, возникает всегда, когда расстояние между источником и приемником света возрастает со временем (эффект /Доплера).
Явление разбегания галактик и расширения Вселенной было обнаружено в 1924 г. американским астрономом Эдвином Хабблом (его именем был назван уникальный астрономический прибор — орбитальный космический телескоп, с помощью которого было сделано огромное количество астрономических открытий за последнюю четверть века). Долгие годы Хаббл потратил на составление каталогов спектров галактик и расстояний до них. Основательно изучив полученные данные, к 1929 г. он обнаружил, что почти все галактики удаляются от нас. Более того, их спектры смещены в красную область тем сильнее (то есть скорость убегания тем выше), чем более галактика удалена.
Конечно, можно было предположить, что именно наша галактика является центром расширяющегося мироздания. Куда более естественным было бы допущение, что во Вселенной нет никакого центра, от которого бы галактики отдалялись. Тогда получается, что Вселенная одинакова во всех направлениях. А ее расширение следует понимать как имеющий место повсюду разлет галактик, при котором происходит непрерывное увеличение расстояний между двумя любыми из них. Правда, их собственные размеры при этом практически не меняются, поскольку они представляют собой крепко связанные гравитацией системы объектов.
Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) — правило физической космологии, согласно которому красное смещение удалённых объектов пропорционально их расстоянию от наблюдателя. Таким образом, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
Другими словами, между расстояниями D до галактик и скоростями их удаления Vr (разбегания) наблюдается линейная зависимость:
.
Чем дальше от наблюдателя космический объект (галактика, квазар), тем быстрее он удаляется.
На каждый миллион парсек расстояния до объекта его скорость убегания увеличивается приблизительно на 75 км/с.
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.
,
- 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):
,
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
является приближённым, в то время как равенство
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.
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.
Игорь Дмитриевич Караченцев — доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией внегалактической астрономии в Специальной астрофизической обсерватории РАН. Область исследований — наблюдательная космология, внегалактическая астрономия.
Артур Давидович Чернин — доктор физико-математических наук, профессор Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга, МГУ. Область научных интересов — космология, физика галактик.
Галактики, скопления, сверхскопления
В 1922–1924 гг. эстонский теоретик, выпускник Московского университета Эрнст Эпик (Ernst Öpik), работавший тогда в Москве, и американский астроном Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) из обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии независимо друг от друга и притом совершенно разными путями доказали, что знаменитая туманность Андромеды находится вне нашей галактики. Распространенная ранее точка зрения состояла в том, что галактика, которая видна на небе как Млечный Путь, это и есть чуть ли не вся Вселенная. Оказалось, что туманность Андромеды представляет собой гигантскую систему звезд, сравнимую с нашей галактикой по размерам и массе, а то и превосходящую ее.
Вскоре после этого Хабблу и его коллегам удалось установить природу еще двух десятков ближайших к нам туманностей, которые тоже оказались звездными системами, хотя и не такими крупными, как наша галактика или туманность Андромеды. С тех пор стало ясно, что Вселенная — это не мир звезд, как считали веками, а мир галактик.
Дальнейшие наблюдения показали, что большинство галактик собрано в различные группы и скопления, насчитывающие от нескольких единиц до сотен и тысяч звездных систем различной массы и размеров. Наша галактика вместе с галактикой Андромеды и четырьмя десятками менее крупных галактик образуют Местную группу, находящуюся по соседству со скоплением галактик в Деве, которое составляет вместе с несколькими другими систему, называемую Местным сверхскоплением. Это гигантское образование имеет уплощенную форму, и его наибольший размер достигает 80 млн световых лет.
Сверхскопления нередко образуют длинные цепочки, или филаменты, в которые входит по сверхскоплений разного размера. Самая богатая из близких к нам цепочек — Концентрация Шепли. Она находится от нас на расстоянии около 500 млн световых лет и имеет протяженность до 300 млн световых лет.
Иерархия астрономических систем не продолжается неограниченно до сколь угодно больших масштабов; она ограничена десятками сверхскоплений. Это означает, что скопления и сверхскопления распределены в пространстве в среднем равномерно. Если мысленно выделить в объеме Вселенной области с размером в 1 млрд световых лет (или более) и подсчитать в каждой из них число галактик, то оно окажется практически одинаковым для всех таких областей. То же самое будет и при подсчете скоплений и сверхскоплений. Объем поперечником в 1 млрд. световых лет, начиная с которого распределение галактик представляется в среднем равномерным по пространству, называют ячейкой однородности во Вселенной.
Современным наблюдениям доступен объем пространства радиусом около 15 млрд световых лет. Рассматриваемый в таком огромном космологическом масштабе, мир галактик выглядит простым, однородным и бесструктурным.
Разбегание галактик
Космологическое расширение было теоретически предсказано в 1922 году петроградским математиком Александром Александровичем Фридманом. Основываясь на общей теории относительности Эйнштейна, он доказал, что однородный мир не может находиться в покое и должен либо расширяться, либо сжиматься. Раз Вселенная расширяется, это значит, что всему ее веществу некогда были приданы гигантские скорости разбега в результате изначального космического события, получившего название Большого взрыва. Его физическая природа до сих пор остается загадкой.
А.А. Фридман рискнул ориентировочно определить, как далеко в прошлом от нас локализован момент Большого взрыва. По его оценке, космологическое расширение началось 10 млрд лет назад, если считать по порядку величины (то есть с точностью до степени десятки в ее численном выражении). Эта приближенная оценка хорошо согласуется с самыми последними наблюдательными данными, согласно которым мир начал свое существование около 15 млрд лет назад. По этой причине лучи света, которые мы сейчас принимаем, не могли быть испущены раньше, и, соответственно, свет мог пройти за это время путь не больше такого же количества световых лет. Следовательно, 15 млрд световых лет — это предельно далекое расстояние, доступное наблюдениям, принципиальный горизонт видимости в реальном мире. Самые далекие источники света, галактики и квазары, лежат на расстояниях как раз около 10 млрд световых лет, то есть вблизи космического горизонта. Это, очевидно, означает, что при существующей дальности действия астрономических инструментов объектом прямых наблюдательных исследований в XXI веке становится почти весь принципиально доступный наблюдениям объем Вселенной.
Своими современными успехами наука о Вселенной обязана быстрому росту арсенала астрономической техники. Если в распоряжении Хаббла был немалый по тем временам телескоп с зеркалом диаметром 2,5 м, то уже почти три десятка лет действует шестиметровый телескоп Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (САО РАН) на Северном Кавказе, а недавно введены в строй два телескопа диаметром 10 м на Гавайях (США) и несколько международных телескопов диаметром 8 м в Чили. На стадии конструирования находятся еще гораздо более крупные телескопы с мозаикой зеркал, а не со сплошным зеркалом. По своей эффективности они эквивалентны телескопам с диаметром сплошного зеркала в 30 и 100 м. Во времена Хаббла в дело шел только 1% света, падающего на зеркало. Современные приемники света (приборы с зарядовой связью) улавливают почти 100% света небесных источников.
Парадокс Хаббла—Сэндиджа
Вернемся к истокам наблюдательной космологии, в 1920-е гг., когда Хаббл изучал только что открытый феномен разбегания галактик. В его распоряжении имелись измеренные Слайфером скорости удаления галактик, но расстояния до них не были еще определены. К 1929 году Хабблу удалось оценить расстояния для двух десятков галактик, и это немедленно привело его к замечательному открытию: оказалось, что скорости удаления галактик пропорциональны расстояниям до них. Этот факт называют с тех пор законом Хаббла.
Теория Фридмана говорит нам, что закон прямой пропорциональности скорости и расстояния — это обязательное и неизбежное следствие однородности распределения вещества. Раз Вселенная однородна по распределению вещества, ее расширение может происходить по этому и только этому закону. И наоборот: расширение по закону прямой пропорциональности возможно только в однородном мире.
Казалось бы, очевидна полная гармония космологической теории и астрономических наблюдений. Но если внимательнее приглядеться к оригинальной хаббловской диаграмме, то можно увидеть, что расстояния до галактик на ней (после устранения систематической ошибки) не превышают 50 млн световых лет, или 18 мегапарсек (если пользоваться этой единицей длины, принятой во внегалактической астрономии; 1 мегапарсек [Мпк] = 1 миллион парсек; 1 парсек близок к трем световым годам). А свое начало поток расширения берет на ней всего на расстоянии в 1–2 Мпк от нас.
Но единицы и десятки мегапарсек — это отнюдь не космологический масштаб. Это гораздо меньше размера ячейки однородности во Вселенной, начиная с которого однородность распределения вещества имеет место в действительности. В нашей же ближайшей галактической окрестности, в объеме, который наблюдал Хаббл, никакой однородности в распределении вещества нет и в помине. Напротив, галактики расположены здесь крайне нерегулярно, имеются сильные сгущения, галактики образуют группы с размерами около 1 Мпк, они входят в Местное сверхскопление, центр которого лежит в направлении на созвездие Девы и находится на расстоянии в 17 Мпк. Как при таких условиях может существовать регулярный поток расширения с законом прямой пропорциональности скорости и расстояния? Ведь, по теории Фридмана, этот закон возможен лишь в случае однородного распределения вещества в пространстве.
Местный хаббловский поток
Темная энергия
Об открытии темной энергии в космологии теперь уже много написано (см.: Д. Клайн. Поиски темного вещества // ВМН, № 7, 2003; Д. Массер. Замороженные звезды // ВМН, № 10, 2003; Д. Двейли. Кто нарушил закон тяготения // ВМН, № 5, 2004; К. Дрейфус и Л. Кросс. Что беспокоит физиков? // ВМН, № 11, 2004; Д. Массер. Темная энергия охлаждает окрестности нашей галактики // ВМН, № 7, 2005; А. М. Черепащук и А. Д. Чернин. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино: Век-2, 2003). В 1998–1999 гг. были опубликованы первые данные наблюдений, указывающих на то, что космологическое расширение происходит ускоренно, то есть что скорости взаимного удаления галактик возрастают со временем. Раньше считали, что разбегание галактик может только замедляться под действием всемирного тяготения. Однако ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычными светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей космической средой, в которую погружены все галактики мира. Эта гипотетическая среда — темная энергия.
Физическая природа темной энергии остается пока что неизвестной. По этому поводу, однако, высказано немало интересных гипотез, простейшая из которых (и, похоже, самая вероятная) связывает темную энергию с космологической константой. Эта универсальная константа была введена в космологию и физику Эйнштейном в 1917 году, на заре современной науки. Если эйнштейновская константа положительна по величине, то теория Фридмана (а в ней эта константа с самого начала учитывалась) может описывать космологическое расширение не только с замедлением, но и с ускорением. Этот вариант мировой динамики и осуществляется, как оказалось, в реальной Вселенной.
Но какая физика стоит за космологической константой? Сам Эйнштейн не оставил ответа на этот вопрос. По мысли петербургского теоретика Эраста Борисовича Глинера, высказанной еще в 1965 году, космологическая константа описывает вакуум. Этот вакуум — отнюдь не пустота. Его можно представить себе как особую сплошную среду, которая идеально равномерно заполняет всю Вселенную и имеет всюду и всегда постоянную плотность. Плотность вакуума положительна, а его давление отрицательно. Из-за отрицательного давления и возникает не тяготение, а антитяготение.
Если в такую среду поместить две частицы, то вакуум способен преодолеть их взаимное тяготение и заставить их удаляться друг от друга, притом с ускорением, то есть с возрастающими со временем скоростями. Этот вакуум Эйнштейна—Глинера, вероятнее всего, и управляет динамикой наблюдаемой Вселенной.
Такая картина местного хаббловского потока прямо вытекает из наших наблюдений и описывается разработанной нами компьютерной моделью. В этой работе вместе с авторами этой статьи участвовали Пекка Теерикорпи (Pekka Teerikorpi), Маури Валтонен (Mauri Valtonen) (Университет Турку, Финляндия), Джин Берд (Jean Bird) (Университет Алабамы, США), Юрий Николаевич Ефремов, Валентин Петрович Долгачев, Людмила Михайловна Доможилова (ГАИШ МГУ), Юрий Викторович Барышев (СПбГУ), Дмитрий Игоревич Макаров (САО РАН).
Ключевой момент нашей модели — кинематическая идентичность хаббловского потока на масштабах от нескольких Мпк до самых больших расстояний в мире галактик. Эта загадка, еще недавно ставившая в тупик космологов, теперь разъясняется: везде, где доминирует вакуум с его всюду одинаковой плотностью, темп расширения (характеризуемый постоянной Хаббла) должен быть практически одинаков. Дело в том, что при таких условиях постоянная Хаббла определяется почти исключительно одной только плотностью вакуума. В теоретически мыслимом предельном случае, когда в мире безраздельно царит вакуум, постоянная Хаббла должна быть во всей области масштабов от нас и до края Вселенной строго одинакова. Предельное значение постоянной составляет приблизительно 60 км/сек на Мпк, оно совсем не далеко от величин, получаемых в реальных астрономических наблюдениях.
Теперь стало очевидным, что космология начинается не с сотен мегапарсек, а всего в нескольких мегапарсеках от нас. И всё это из-за преобладания вакуума как по Вселенной в целом, так и в отдельных ее объемах, подобных нашему местному. Новый взгляд на космологию подсказывает разгадку тайны, которая долгие годы существовала в науке о Вселенной. Удивительно, но факт: только с обнаружением темной энергии стали по-настоящему ясны реальное космологическое значение и истинный физический смысл открытия, сделанного Хабблом в 1929 году.
Но на эти результаты можно взглянуть также и с другой стороны. Действительно, кинематику местного хаббловского потока, изученную нами с помощью высокоточных наблюдений и новой теории, нужно считать теперь прямым свидетельством того, что темная энергия существует не только на огромных космологических расстояниях, где она была впервые обнаружена, но и фактически повсюду во Вселенной, везде, где наблюдается регулярное хаббловское разбегание галактик. Отсюда вытекает, что такую важную физическую величину, как плотность темной энергии, можно оценить по измеренному значению постоянной Хаббла. Более того, возможна и еще одна независимая оценка той же величины: она следует из нашей теории и численно дается комбинацией двух наблюдаемых величин — массы Местной группы галактик (около 1,5 трлн масс Солнца) и расстояния (примерно 1,5 Мпк), начиная с которого разбегание галактик обнаруживает регулярный хаббловский характер. Наши оценки находятся в полном согласии друг с другом и с глобальными данными, полученными в 1998–1999 гг. при наблюдениях далеких галактик. Это означает, что темная энергия является универсальным феноменом природы, а создаваемое ею антитяготение оказывается всемирным в том же смысле, что и ньютоново всемирное тяготение.
Исследования темной энергии разворачиваются в наши дни широким фронтом. Инструментом, подаренным нам для этих целей самой природой, служит весь мир галактик — от границ наблюдаемой Вселенной до близких окрестностей Млечного пути.
Дополнительная литература:
1. Черепащук А.М., Чернин А.Д. Горизонты Вселенной. Новосибирск, СО РАН, 2005.
2. Тропп Э.А., Френкель В.Я., Чернин А.Д. Александр Александрович Фридман. Жизнь и деятельность. М.: Наука, 1988; Эдиториал УРСС, 2006.
3. Новиков И.Д., Шаров А.С. Эдвин Хаббл. М.: Наука, 1989.
Ефремов Ю.Н. Вглубь Вселенной. Звезды, галактики и мироздание. М.: Эдиториал УРСС, 2004.
4. Ефремов Ю.Н. Звездные острова. Галактики звезд и Вселенная галактик. Фрязино: Век-2, 2005.
5. Черепащук А.М., Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. Фрязино: Век-2, 2003.
Читайте также: