Меню сайта

11 класс

§ 78. Пространственно-временные масштабы наблюдаемой Вселенной

Расстояния до галактик.

Одной из важнейших задач астрономии, в том числе внегалактической, является определение расстояний до различных космических объектов. Это необходимо для исследования других характеристик объектов. В частности, как было показано в предыдущем параграфе, это позволяет определять физические размеры и массы галактик.

Одним из методов, позволивших измерить расстояния до галактик, было использование цефеид. Известно, что их период пульсаций связан со светимостью звезды. Сравнивая светимость и видимую яркость объекта, можно определить расстояние до него. Расстояние до видимой невооружённым глазом Туманности Андромеды составляет примерно 0,7 Мпк (2,5 млн св. лет). Большое и Малое Магеллановы Облака находятся от нас ещё ближе: 50 и 60 кпк (160 и 200 000 св. лет) соответственно.

Млечный Путь, Туманность Андромеды, галактика Треугольника (М33) и несколько десятков карликов образуют гравитационно-связанную Местную Группу. Кроме групп галактик, во Вселенной встречаются и более крупные скопления галактик, насчитывающие десятки тысяч галактик. Всё скопление при этом является гравитационно-связанным, т. е. галактики в нём движутся по замкнутым орбитам. Массы скоплений достигают 10^l5 масс Солнца. На рисунке 12.30 приведён снимок далёкой Вселенной, полученный с помощью космического телескопа им. Хаббла. При этом видно большое количество галактик, расстояния до большинства из них превышают миллиард световых лет.

Современными средствами удаётся наблюдать цефеиды на расстоянии до 20 Мпк. Расстояния до более далёких галактик определяются другими методами, например с помощью сверхновых типа Іа, для которых известно соотношение между длительностью свечения и светимостью. Сверхновые гораздо ярче цефеид, поэтому они заметны на расстояниях более 1000 Мпк. Однако метод сверхновых опирается на расстояния, измеренные по цефеидам. Для того чтобы использовать соотношение между длительностью свечения и светимостью сверхновых, необходимо измерить светимости нескольких сверхновых. Сделать это возможно, только зная расстояния до них. Наблюдение сверхновых в близких галактиках, до которых можно измерить расстояния по цефеидам, позволило пересчитать видимую яркость этих сверхновых в их светимость.

Закон Хаббла.

В спектрах удалённых галактик, находящихся за пределами Местной Группы, имеется важная особенность: все их спектральные линии смещены в красную сторону (в сторону больших длин волн) на величину ∆λ:

∆λ = λ_н — λ = λz,

где λ — длина волны спектральной линии в лаборатории на Земле; λ_н — наблюдаемая длина волны линии от галактики, z — красное смещение, различное для каждой галактики. Если интерпретировать красное смещение как результат движения галактик, то

z = υ / с          (1)

где υ — скорость галактики; с — скорость света.

В начале XX в. Хаббл измерил расстояния до нескольких галактик с помощью цефеид и обнаружил, что красное смещение галактик примерно пропорционально расстоянию до них:

Это утверждение стали называть законом Хаббла.

Величину H впоследствии назвали постоянной Хаббла. По современным данным, H = 73 км/(с • Мпк). Отметим, что формулы (1) и (2) применимы лишь при малых скоростях, и υ << с.

Незадолго до открытия Хаббла Эйнштейном была построена общая теория относительности, объяснявшая гравитацию искривлением пространства-времени. Вскоре после этого Александр Александрович Фридман (1888—1925) показал с помощью этой теории, что если галактики взаимодействуют только с помощью гравитационных сил, то Вселенная не может быть стационарной: она должна либо сжиматься, либо расширяться. Открытие Хаббла подтвердило этот вывод: было обнаружено общее расширение Вселенной.

Из математической записи закона Хаббла может показаться, что мы находимся в центре, от которого удаляются все галактики. Однако это не так. Если «пересесть» с одной галактики на любую другую, из неё наблюдатель увидит такую же картину разбегания. Связано это с тем, что закон υ = Hr является следствием всеобщего расширения Вселенной. На рисунке 12.31 схематично представлено всеобщее расширение Вселенной — расстояние между галактиками увеличивается со временем.

Если мы введём декартову систему координат, то при однородном расширении координаты каждой галактики будут зависеть от времени следующим образом:

x = x₀ ∙ a(t),,

y = y₀ ∙ a(t),

z = z₀ ∙ a(t),

где x₀, y₀, z₀ — координаты галактики в некоторый опорный момент времени; a(t) — масштабный фактор. При этом расстояние R между любыми двумя галактиками будет увеличиваться со временем как R = R₀ ∙ a(t), где R₀ — расстояние между ними в опорный момент времени, т. е. тем быстрее, чем больше расстояние между ними. Поясним это утверждение на примерах. Если расстояние между двумя галактиками было 10 млн св. лет и за некоторое время масштабный фактор а вырос в 1,1 раза, это расстояние увеличилось до 11 млн св. лет, т. е. на 1 млн св. лет. Если взять другую пару галактик, между которыми расстояние вначале было в 2 раза больше (20 млн св. лет), то за тот же период времени оно выросло на 2 млн св. лет, т. е. их скорость относительно друг друга тоже стала в 2 раза выше.

Сами галактики, звёзды, планеты и т. д. не расширяются вместе со Вселенной. Под выражением «расширение Вселенной» понимается лишь движение вещества по инерции. Кроме того, галактики не строго следуют закону Хаббла, а лишь в среднем. Они обладают ещё и пекулярными скоростями, направленными случайным образом. Их величины могут достигать 1000 км/с.

Из расширения Вселенной, если продолжить его в прошлое, следует вывод, что в некоторый момент все галактики и всё вещество Вселенной должно было быть сосредоточено в одной точке. Этот момент называют Большим взрывом или моментом рождения Вселенной. Оценить возраст Вселенной можно, разделив расстояние между галактиками на скорость их удаления, т. е.

t_Н = 1 / H ≈ 14 млрд лет.

Конечность возраста Вселенной означает, что свет за всё время её существования не мог пройти более чем 14 млрд св. лет и области Вселенной, находящиеся дальше, чем это расстояние, для нас не видны. Поэтому данное расстояние называют радиусом горизонта Вселенной. Насколько Вселенная больше, чем этот размер, — сейчас неизвестно.

Зная постоянную Хаббла, можно применять закон Хаббла для определения расстояний до галактик, поскольку их красные смещения измерить сравнительно просто. Наиболее далёкие галактики видны на расстоянии около 13 млрд св. лет от нас. Поскольку свет от них распространялся длительное время, мы наблюдаем эти галактики в далёком прошлом и их возраст на момент наблюдения сравнительно небольшой.

Крупномасштабная структура вселенной.

В настоящее время определены расстояния до нескольких миллионов галактик, что позволило построить трёхмерную карту распределения галактик в пространстве. Ho ней видно, что галактики на очень больших масштабах в миллиарды световых лет равномерно заполняют Вселенную. На меньших масштабах они расположены не случайно, а образуют ячеистую крупномасштабную структуру с характерным размером ячейки — порядка сотни мегапарсек. На рисунке 12.32 схематично показана крупномасштабная ячеистая структура в распределении галактик (каждая точка — отдельная галактика).

Эта структура — следствие действия сил тяготения, за счёт которых даже незначительные уплотнения в распределении вещества притягивают к себе вещество и становятся всё более плотными и массивными, в то время как разреженные области становятся ещё более разреженными, поэтому в итоге всё вещество разбивается на систему плотных волокон и «стенок» между пустотами.

Усилия учёных направлены па изучение этой структуры, поскольку она содержит информацию о малых уплотнениях в распределении вещества, которые, как считается, возникли на самых ранних стадиях Большого взрыва.

Пространство между галактиками не абсолютно пустое, оно заполнено разреженным ионизированным газом, как первичным, так и выброшенным из галактик в результате их активности. При типичных расстояниях между крупными галактиками в несколько миллионов световых лет галактики могут оказывать влияние друг на друга практически только посредством гравитации.

В заключение отметим, что может происходить выброс вещества из галактики за счёт активности звёзд, так называемый галактический ветер. Его характерная скорость — порядка второй космической скорости для галактики, т. е. около 300—400 км/с для Млечного Пути. При такой скорости вещество будет лететь до Туманности Андромеды более 2 млрд лет, даже если не встретит на пути преград в виде межгалактического газа.

Вопросы:

1. Как измеряют расстояния до галактик?

2. Что называют Местной Группой?

3. Как галактики движутся в пространстве?

4. Какое утверждение называют законом Хаббла?

5. Чему примерно равен возраст Вселенной и как его оценили?

6. Какое расстояние называют радиусом горизонта Вселенной? 7

. Что представляет собой крупномасштабная структура Вселенной?

Вопросы для обсуждения:

1. Объясните, почему для галактики Туманность Андромеды наблюдается синее смещение спектральных линий.

2. Предположим, что открыта новая популяция астрономических источников. При этом известны только их положения на небе, но спектры не содержат спектральных линий. Как можно определить, принадлежат ли астрономические источники нашей Галактике, близким галактикам или приходят с расстояний в миллиарды световых лет?

Упражнения:

Оцените, сколько оборотов сделал диск нашей Галактики за время жизни Вселенной.