Фундаментальною властивістю Всесвіту є його загальне розширення. Спостереження показують, що скупчення (і надскупчення) галактик, розділені відстанями, що перевищують 100-300 Мпс, віддаляються одне від одного. Цей факт встановлений Е. Хабблом в кінці 20-х років. Давно відомо, що коли джерело звуку віддаляється від нас, частота звукових коливань, яка сприймається нами, зменшується, а при наближенні джерела вона, навпаки, зростає. Аналогічне явище має місце і при розповсюдженні світла.
Воно отримало назву ефекту Доплера. Якщо джерело випромінювання рухається від нас, і притому з великою швидкістю, то частота коливань, яку сприймаємо, також знижується. Колір при цьому змінюється, переходячи, скажімо, від синього до жовтого або від жовтого до червоного. Е. Хаббл, спостерігаючи світло, що випромінюється далекими галактиками, встановив, що спектральні лінії в їх випромінюванні зміщені в червону сторону спектру. При цьому, чим далі від нас галактика, тим більшим є цей «червоний зсув». Звідси випливає, що галактики віддаляються від нас і швидкість їх віддалення тим більша, чим далі знаходиться галактика. Але ж наша власна Галактика, з якої ми ведемо спостереження, аж ніяк не центр світу, і, очевидно, потрібно вважати, що галактики або, точніше, скупчення галактик, віддаляються не від нас, а взагалі всі вони віддаляються одна від одної. Якщо відстань між скупченнями є L, то швидкість їх взаємного віддалення V = HL. Це співвідношення – це закон Хаббла, Н - постійна Хаббла, її величина не залежить від положення скупчень у просторі. За сучасними оцінками H = 55-75 км/(с•Мпс).
За кілька років до відкриття Хаббла нестаціонарність Всесвіту була передбачена А. А. Фрідманом, основоположником сучасної космології. Спираючись на загальну теорію відносності А. Ейнштейна, Фрідман розробив модель однорідного Всесвіту, який, як виявилося, не може знаходитися в стані спокою, а повинен бути нестаціонарним. Ця нестаціонарність і проявляється у віддалені галактик і їхніх скупчень. Воно відбувається так, що загальна однорідність розподілу скупчень (або надскупчень) не порушується. Як показує теорія, збереження однорідності вимагає, щоб швидкості віддалення тіл одне від одного були прямо пропорційні відстаням між ними; саме це і виявлено в астрономічних спостереженнях.
Швидкості космологічного віддалення вельми значні. Якщо скупчення галактик знаходиться від нас на відстані, скажімо, тисячі мегапарсек, то за законом Хаббла воно віддаляється від нас зі швидкістю не менше 55 тисяч км/с. Найдальші квазари мають швидкості видалення, які лише трохи поступаються швидкості світла, що дорівнює 300 000 км/с. Розширення відбувається з великими швидкостями, а всесвітнє тяжіння, взаємне тяжіння космічних систем, прагне його загальмувати і замінити розширення стиском. Тяжіння, очевидно, тим сильніше, чим більші маси систем і менші відстані між ними, і тому можна очікувати, що доля розширення залежить від щільності речовини у Всесвіті. Щоб тяжіння подолало розширення, щільність повинна бути досить великою, а саме перевищувати деяке критичне значення. Критичну щільність можна знайти, оцінюючи запас енергії розльоту за спостережуваними швидкостями космічних систем. Сучасні дані приводять до величини від 10-29 до 5•10-30 г/см3, що відповідає приблизно десяти або п'яти атомам водню в кубічному метрі. Це більше від усередненої густини галактик, але не перевершує, мабуть, ту густину, яку могли б дати «приховані маси».
Таким чином питання про долю космологічного розширення залишається відкритим: якщо «приховані маси» дійсно існують і створювана ними густина відповідає максимальній оцінці, то початкового «розгону» недостатньо, щоб розширення Всесвіту тривало необмежено. У цьому випадку тяжіння здатне зупинити в майбутньому розширення і через 10-15 мільярдів років привести до стиснення Всесвіту.
Звернемося тепер не до майбутнього, а до минулого Всесвіту, до його історії. Якщо зараз космічні системи віддаляються одна від одної, то колись в минулому вони були ближче одна до одної або навіть «торкалися» одна одної. У ще більш ранні часи ні скупчення, ні галактики, ні навіть окремі зірки не могли, очевидно, існувати в їх сучасному вигляді, а речовина, з якої вони складаються, повинна була бути рівномірно перемішана і складала єдине космічне середовище.
Історія відкриття закону Хаббла
Закон Хаббла встановлений експериментально Е. Хабблом в 1929 році для галактик за допомогою 100" телескопа, який дозволяє поділити найближчі галактики на зірки. Серед них були цефеїди, використовуючи залежність «період-світність» яких, Хаббл виміряв відстань до них, а також червоне зміщення.
Отриманий Хабблом коефіцієнт пропорційності становив близько 500 км/с на мегапарсек. Сучасне значення становить 74,2 ± 3,6 км/с на мегапарсек. Настільки істотну різницю забезпечують два фактори: відсутність нуль поправки-пункту залежності «період-світність» на поглинання (яке тоді ще не було відкрито) і істотний внесок власних швидкостей в загальну швидкість для місцевої групи галактик.
Теоретична інтерпретація закону Хаббла
З точки зору класичної механіки, закон Хаббла можна наочно пояснити наступним чином. Колись давно Всесвіт утворився в результаті Великого вибуху. У момент вибуху різні частинки матерії (осколки) отримали різні швидкості. Ті з них, які отримали великі швидкості - відповідно встигли до цього моменту полетіти далі, ніж ті, які отримали менші швидкості. Якщо провести чисельний розрахунок, то виявиться, що залежність відстані від швидкості виявляється лінійною. Крім того, виходить, що ця залежність одна і та ж для всіх точок простору, тобто, за спостереженнями за осколками, що розлітаються, не можна знайти точку вибуху: з точки зору кожного осколка, саме він знаходиться в центрі. Однак, незважаючи на таку наочність, слід пам'ятати, що розширення Всесвіту має описуватися не класичною механікою, а загальною теорією відносності.
Перше зауваження стосується того, чи враховується при спостереженнях той факт, що через те, що світло йде від галактик мільйони років, ми бачимо їх у минулому. У результаті, оскільки вони віддаляються від нас, в даний момент вони повинні перебувати вже далі. Питання: з якої з двох відстаней визначена залежність Хаббла? Відповідь: до середини минулого століття це не мало значення. З графіка Хаббла видно, що найбільші швидкості галактик, розглянутих Хабблом, склали до 1000 км/с. У принципі це велика швидкість, але за час руху світла від них до Землі, вони все одно встигли зрушити на незначний відсоток загальної відстані.
Друге зауваження полягає в тому, що розширення Всесвіту не є простим розльотом галактик в порожньому просторі. Воно полягає в динамічній зміні самого простору. Нерозуміння цього факту часто змушує робити невірні висновки авторів навіть серйозної літератури. Наприклад, часто говорять, що швидкість віддалення галактик не повинна перевищувати швидкості світла і тому на тих відстанях, де це має спостерігатися, повинні спостерігатися і відхилення від закону Хаббла. Це не так: відповідно до загальної теорії відносності, повинні існувати і спостерігатися галактики, що рухаються швидше від світла.
За кілька років до експериментального відкриття Олександром Фрідманом були теоретично вирішені рівняння Ейнштейна для всього Всесвіту і в результаті було отримано, що якщо розподіл речовини в ньому у середньому рівномірний, то він повинен або стискатися або розширюватися, причому в останньому випадку повинен спостерігатися лінійний закон між відстанню і швидкістю віддалення. Ця особливість рішень Фрідмана була відразу ж ототожнена з явищем, відкритим Хабблом.
Відповідно до цієї (загальноприйнятої) моделі космологічне червоне зміщення не можна інтерпретувати як Ефект Доплера, так як одержана за формулами цього ефекту швидкість не відповідає (лише приблизно дорівнює) ніякій швидкості в сенсі зміни космологічної відстані між галактиками. Галактики нерухомі (за винятком пекулярних власних швидкостей), а розширюється простір, що і викликає розширення хвильового пакету.
Можлива нелінійність закону Хаббла
У наш час спостереженнями, що говорять на користь існування темної енергії, були, мабуть, виявлені відхилення від лінійного закону Хаббла (як зв'язку червоного зміщення з відстанню). Було виявлено, мабуть, що наш Всесвіт розширюється з прискоренням. Цей факт не скасовує закону Хаббла, так як останній діє на більш близьких відстанях, ніж ці нові ефекти.
За матеріалами: galspace.spb.ru, wikipedia.org.
Читайте також:
