Как было открыто явление разлета галактик. Ученые не могут объяснить быстрый разлет галактик от млечного пути. Скорость движения Солнца в Галактике относительно видимых звезд

Весьма советуем с ним познакомиться. Там Вы найдете много новых друзей. Кроме того, это наиболее быстрый и действенный способ связаться с администраторами проекта. Продолжает работать раздел Обновления антивирусов - всегда актуальные бесплатные обновления для Dr Web и NOD. Не успели что-то прочитать? Полное содержание бегущей строки можно найти по этой ссылке .

В данной статье рассматривается скорость движения Солнца и Галактики относительно разных систем отсчета:

Скорость движения Солнца в Галактике относительно ближайших звезд, видимых звезд и центра Млечного Пути;

Скорость движения Галактики относительно местной группы галактик, удаленных звездных скоплений и реликтового излучения.

Краткая характеристика Галактики Млечный Путь.

Описание Галактики.

Прежде чем приступить к изучению скорости движения Солнца и Галактики во Вселенной, познакомимся с нашей Галактикой поближе.

Мы живем как бы в гигантском «звездном городе». Вернее – в нем «живет» наше Солнце. Населением этого «города» являются разнообразные звезды, и «проживает» их в нем более двухсот миллиардов. Несметное множество солнц рождается в нем, переживает свою молодость, средний возраст и старость – проходят долгий и сложный жизненный путь, длящийся миллиарды лет.

Громадны размеры этого «звездного города» - Галактики. Расстояния между соседними звездами в среднем равны тысячам миллиардов километров (6*1013 км). А таких соседей свыше 200 миллиардов.

Если бы мы со скоростью света (300 000 км/сек) мчались от одного конца Галактики до другого, на это ушло бы около 100 тысяч лет.

Вся наша звездная система медленно вращается, как гигантское колесо, состоящее из миллиардов солнц.

Орбита Солнца

В центре Галактики, по всей видимости, располагается сверхмассивная чёрная дыра (Стрелец A*) (около 4,3 миллиона солнечных масс) вокруг которой, предположительно, вращается чёрная дыра средней массы от 1000 до 10 000 масс Солнца и периодом обращения около 100 лет и несколько тысяч сравнительно небольших. Их совместное гравитационное действие на соседние звёзды заставляет последние двигаться по необычным траекториям. Существует предположение, что большинство галактик имеет сверхмассивные чёрные дыры в своем ядре.

Для центральных участков Галактики характерна сильная концентрация звёзд: в каждом кубическом парсеке вблизи центра их содержатся многие тысячи. Расстояния между звёздами в десятки и сотни раз меньше, чем в окрестностях Солнца.

Ядро Галактики с огромной силой притягивает все остальные звезды. Но громадное количество звезд расселено и по всему «звездному городу». А они тоже притягивают друг друга в разных направлениях, и это сложно влияет на движение каждой звезды. Поэтому Солнце и миллиарды других звезд в основном движутся по круговым путям или эллипсам вокруг центра Галактики. Но это лишь «в основном» - присмотревшись, мы увидели бы, что они движутся по более сложным кривым, извивающимся путям среди окружающих звезд.

Характеристика Галактики Млечный Путь:

Место нахождения Солнца в Галактике.

Где в Галактике находится Солнце и движется ли оно (а с ним и Земля, и мы с вами)? Не находимся ли мы в «центре города» или хотя бы где-нибудь недалеко от него? Исследования показали, что Солнце и солнечная система расположены на громадном расстоянии от центра Галактики, ближе к «городским окраинам» (26 000 ± 1 400 св. лет).

Солнце расположено в плоскости нашей Галактики и удалено от ее центра на 8 кпк и от плоскости Галактики примерно на 25 пк (1 пк (парсек) = 3,2616 светового года). В области Галактики, где расположено Солнце, звездная плотность составляет 0,12 звезд на пк3.

Модель нашей Галактики

Скорость движения Солнца в Галактике.

Скорость движения Солнца в Галактике принято рассматривать относительно разных систем отсчета:

Относительно ближайших звезд.

Относительно всех ярких звезд, видимых невооруженным глазом.

Относительно межзвездного газа.

Относительно центра Галактики.

1. Скорость движения Солнца в Галактике относительно ближайших звезд.

Подобно тому, как скорость летящего самолета рассматривается по отношению к Земле, не учитывая полета самой Земли, так и скорость движения Солнца можно определить относительно ближайших к нему звезд. Таким, как звезды системы Сириус, Альфа Центавра и др.

Эта скорость движения Солнца в Галактике сравнительно невелика: всего 20 км/сек или 4 а.е. (1астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца – 149,6 млн км.)

Солнце относительно ближайших звезд движется по направлению к точке (апексу), лежащей на границе созвездий Геркулеса и Лиры, примерно под углом 25° к плоскости Галактики. Экваториальные координаты апекса = 270°, = 30°.

2. Скорость движения Солнца в Галактике относительно видимых звезд.

Если рассматривать движение Солнца в Галактике Млечный Путь относительно всех звезд, видимых без телескопа, то его скорость и того меньше.

Скорость движения Солнца в Галактике относительно видимых звезд составляет - 15 км/сек или 3 а.е.

Апекс движения Солнца в данном случае также лежит в созвездии Геркулеса и имеет следующие экваториальные координаты: = 265°, = 21°.

Скорость движения Солнца относительно ближайших звезд и межзвездного газа

3. Скорость движения Солнца в Галактике относительно межзвездного газа.

Следующий объект Галактики, относительно которого мы рассмотрим скорость движения Солнца, - это межзвездный газ.

Вселенские просторы далеко не так пустынны, как считалось долгое время. Хотя и в небольших количествах, но везде присутствует межзвездный газ, наполняя собой все уголки мирозданья. На межзвездный газ, при кажущейся пустоте незаполненного пространства Вселенной, приходится почти 99% от совокупной массы всех космических объектов. Плотные и холодные формы межзвездного газа, содержащие водород, гелий и минимальные объемы тяжелых элементов (железо, алюминий, никель, титан, кальций), находятся в молекулярном состоянии, соединяясь в обширные облачные поля. Обычно в составе межзвездного газа элементы распределены следующим образом: водород – 89%, гелий – 9%, углерод, кислород, азот – около 0,2-0,3%.

Газопылевое облако IRAS 20324+4057 из межзвездного газа и пыли длиной в 1 световой год, похожее на головастика, в котором скрывается растущая звезда

Облака межзвездного газа могут не только упорядоченно вращаться вокруг галактических центров, но и обладать нестабильным ускорением. В течение нескольких десятков миллионов лет они догоняют друг друга и сталкиваются, образуя комплексы из пыли и газа.

В нашей Галактике основной объем межзвездного газа сосредоточен в спиральных рукавах, один из коридоров которых расположен рядом с Солнечной системой.

Скорость движения Солнца в Галактике относительно межзвездного газа: 22-25 км/сек.

Межзвездный газ в ближайших окрестностях Солнца имеет значительную собственную скорость (20-25 км/с) относительно ближайших звезд. Под его влиянием апекс движения Солнца смещается в сторону созвездия Змееносца (= 258°, = -17°). Разница в направлении движения около 45°.

4. Скорость движения Солнца в Галактике относительно центра Галактики.

В трех рассмотренных выше пунктах речь идет о так называемой пекулярной, относительной скорости движения Солнца. Иными словами, пекулярная скорость - это скорость относительно космической системы отсчета.

Но Солнце, ближайшие к нему звезды, местное межзвездное облако все вместе участвуют в более масштабном движении – движении вокруг центра Галактики.

И здесь речь идет уже о совсем других скоростях.

Скорость движения Солнца вокруг центра Галактики огромна по земным меркам - 200-220 км/сек (около 850 000 км/час) или больше 40 а.е. / год.

Точную скорость Солнца вокруг центра Галактики определить невозможно, ведь центр Галактики скрыт от нас за плотными облаками межзвездной пыли. Однако все новые и новые открытия в этой области все уменьшают расчетную скорость нашего солнца. Еще совсем недавно говорили о 230-240 км/сек.

Солнечная система в Галактике движется по направлению к созвездию Лебедя.

Движение Солнца в Галактике происходит перпендикулярно направлению на центр Галактики. Отсюда галактические координаты апекса: l = 90°, b = 0° или в более привычных экваториальных координатах - = 318°, = 48°. Поскольку это движение обращения, апекс смещается и совершает полный круг за "галактический год", примерно 250 миллионов лет; угловая его скорость ~5" / 1000 лет, т.е. координаты апекса смещаются на полтора градуса за миллион лет.

Нашей Земле от роду около 30 таких «галактических лет».

Скорость движения Солнца в Галактике относительно центра Галактики

Кстати, интересный факт на тему скорости движения Солнца в Галактике:

Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики почти совпадает со скоростью волны уплотнения, образующей спиральный рукав. Такая ситуация является нетипичной для Галактики в целом: спиральные рукава вращаются с постоянной угловой скоростью, как спицы в колесах, а движение звёзд происходит с другой закономерностью, поэтому почти всё звёздное население диска то попадает внутрь спиральных рукавов, то выпадает из них. Единственное место, где скорости звёзд и спиральных рукавов совпадают - это так называемый коротационный круг, и именно на нём расположено Солнце.

Для Земли это обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку в спиральных рукавах происходят бурные процессы, образующие мощное излучение, губительное для всего живого. И никакая атмосфера не смогла бы от него защитить. Но наша планета существует в сравнительно спокойном месте Галактики и в течение сотен миллионов (или даже миллиардов) лет не подвергалась воздействию этих космических катаклизмов. Возможно, именно поэтому на Земле смогла зародиться и сохраниться жизнь.

Скорость движения Галактики во Вселенной.

Скорость движения Галактики во Вселенной принято рассматривать относительно разных систем отсчета:

Относительно Местной группы галактик (скорость сближения с галактикой Андромеда).

Относительно удаленных галактик и скоплений галактик (скорость движения Галактики в составе местной группы галактик к созвездию Девы).

Относительно реликтового излучения (скорость движения всех галактик в ближайшей к нам части Вселенной к Великому Аттрактору – скоплению огромных сверхгалактик).

Остановимся подробнее на каждом из пунктов.

1. Скорость движения Галактики Млечный Путь к Андромеде.

Наша Галактика Млечный Путь также не стоит на месте, а гравитационно притягивается и сближается с галактикой Андромеда со скоростью 100-150 км/с. Основной компонент скорости сближения галактик принадлежит Млечному Пути.

Поперечная составляющая движения точно не известна, и беспокойства о столкновении преждевременны. Дополнительный вклад в это движение вносит и массивная галактика M33, находящаяся примерно в том же направлении, что и галактика Андромеды. В целом скорость движения нашей Галактики относительно барицентра Местной группы галактик около 100 км / сек примерно в направлении Андромеда/Ящерица (l = 100, b = -4, = 333, = 52), однако эти данные еще весьма приблизительны. Это весьма скромная относительная скорость: Галактика смещается на собственный диаметр за две-три сотни миллионов лет или, очень примерно, за галактический год.

2. Скорость движения Галактики Млечный Путь к скоплению Девы.

В свою очередь, группа галактик, в которую входит и наш Млечный путь, как некое единое целое, движется к большому скоплению Девы со скоростью 400 км/с. Это движение также обусловлено гравитационными силами и осуществляется относительно удаленных скоплений галактик.

Скорость движения Галактики Млечный Путь к скоплению Девы

3. Скорость движения Галактики во Вселенной. На Великий Аттрактор!

Реликтовое излучение.

Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из электронов, барионов и постоянно излучающихся, поглощающихся и вновь переизлучающихся фотонов.

По мере расширения Вселенной плазма остывала и на определённом этапе замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы (этот процесс называется рекомбинацией).

Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. Свободного пространства между частицами стало больше, заряженных частиц стало меньше, фотоны перестали так часто рассеиваться и теперь могли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом.

Те фотоны, которые были в то время излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, до сих пор достигают нашей планеты через пространство продолжающей расширяться вселенной. Эти фотоны составляют реликтовое излучение, представляющее собой равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Г. Гамовым в рамках теории Большого взрыва. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году.

Скорость движения Галактики относительно реликтового излучения.

Позже началось изучение скорости движения Галактик относительно реликтового излучения. Определяется это движение измерением неравномерности температуры реликтового излучения в разных направлениях.

Температура излучения имеет максимум в направлении движения и минимум в противоположном направлении. Степень отклонения распределения температуры от изотропного (2,7 К) зависит от величины скорости. Из анализа наблюдательных данных следует, что Солнце движется относительно реликтового излучения со скоростью 400 км/с в направлении =11,6, =-12 .

Такие измерения показали также и другую важную вещь: все галактики в ближайшей к нам части Вселенной, включая не только нашу Местную группу , но и скопление Девы и другие скопления, движутся относительно фонового реликтового излучения с неожиданно большой скоростью.

Для Местной группы галактик она составляет 600-650 км / сек с апексом в созвездии Гидра (=166, =-27). Выглядит это так, что где-то в глубинах Вселенной существует огромный кластер многих сверхскоплений, притягивающий материю нашей части Вселенной. Этот кластер был назван Великим Аттрактором - от английского слова «attract» - притягивать.

Поскольку галактики, входящие в состав Великого Аттрактора, скрыты межзвездной пылью, входящей в состав Млечного Пути, картографирование Аттрактора удалось выполнить только в последние годы с помощью радиотелескопов.

Великий Аттрактор находится на пересечении нескольких сверхскоплений галактик. Средняя плотность вещества в этом районе ненамного больше средней плотности Вселенной. Но за счет гигантских размеров его масса оказывается настолько велика и сила притяжения столь огромна, что не только наша звездная система, но и другие галактики и их скопления поблизости движутся в направлении Великого Аттрактора, формируя огромный поток галактик.

Скорость движения Галактики во Вселенной. На Великий Аттрактор!

Итак, подведем итоги.

Скорость движения Солнца в Галактике и Галактики во Вселенной. Сводная таблица.

Иерархия движений, в которых принимает участие наша планета:

Вращение Земли вокруг Солнца;

Вращение вместе с Солнцем вокруг центра нашей Галактики;

Движение относительно центра Местной группы галактик вместе со всей Галактикой под действием гравитационного притяжения созвездия Андромеда (галактики М31);

Движение к скоплению галактик в созвездии Девы;

Движение к Великому Аттрактору.

Скорость движения Солнца в Галактике и скорость движения Галактики Млечный Путь во Вселенной. Сводная таблица.

Сложно себе представить, а еще сложнее рассчитать, как далеко мы перемещаемся каждую секунду. Расстояния эти - огромны, а погрешности в таких расчетах пока еще достаточно велики. Вот какими данными располагает наука на сегодняшний день.

Вы сидите, стоите или лежите, читая эту статью, и не ощущаете, что Земля вращается вокруг своей оси с бешеной скоростью - примерно 1 700 км/ч на экваторе. Однако скорость вращения не кажется такой уж быстрой, если перевести ее в км/с. Получится 0,5 км/с - едва заметная вспышка на радаре, в сравнении с другими окружающими нас скоростями.

Так же, как и другие планеты Солнечной системы, Земля вращается вокруг Солнца. И чтобы удерживаться на своей орбите, она двигается со скоростью 30 км/с. Венера и Меркурий, находящиеся ближе к Солнцу, двигаются быстрее, Марс, орбита которого проходит за орбитой Земли, движется намного медленнее нее.

Но даже Солнце не стоит на одном месте. Наша галактика Млечный Путь - огромная, массивная и тоже подвижная! Все звезды, планеты, газовые облака, частицы пыли, черные дыры, темная материя - все это движется относительно общего центра масс.

По предположениям ученых, Солнце находится на расстоянии 25 000 световых лет от центра нашей галактики и двигается по эллиптической орбите, совершая полный оборот каждые 220–250 млн лет. Получается, что скорость Солнца - около 200–220 км/с, что в сотни раз выше скорости движения Земли вокруг оси и в десятки раз выше скорости ее движения вокруг Солнца. Вот так выглядит движение нашей Солнечной системы.

Стационарна ли галактика? Снова нет. Гигантские космические объекты обладают большой массой, а следовательно, создают сильные гравитационные поля. Дайте Вселенной немного времени (а оно у нас было - примерно 13,8 миллиардов лет), и все начнет двигаться в направлении наибольшего притяжения. Вот почему Вселенная не однородна, а представляет собой галактики и группы галактик.

Что это означает для нас?

Это означает, что Млечный Путь тянут к себе другие галактики и группы галактик, расположенные поблизости. Это означает, что доминируют в этом процессе массивные объекты. И это означает, что не только наша галактика, но и все окружающие испытывают влияние этих «тягачей». Мы все ближе подходим к пониманию того, что происходит с нами в космическом пространстве, но нам все еще не хватает фактов, например:

• каковы были начальные условия, при которых зародилась Вселенная;
• как различные массы в галактике двигаются и изменяются со временем;
• как образовывался Млечный Путь и окружающие галактики и скопления;
• и как это происходит сейчас.

Однако есть трюк, который поможет нам разобраться.

Вселенную наполняет реликтовое излучение с температурой 2,725 К, которое сохранилось со времен Большого Взрыва. Кое-где есть крошечные отклонения - около 100 мкК, но общий температурный фон постоянен.

Это происходит потому, что Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва 13,8 миллиардов лет назад и до сих пор расширяется и охлаждается.

Через 380 000 лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась до такой температуры, что стало возможным образование атомов водорода. До этого фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы: сталкивались с ними и обменивались энергией. По мере остывания Вселенной заряженных частиц стало меньше, а пространства между ними - больше. Фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве. Реликтовое излучение - это фотоны, которые были излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, но избежали рассеяния, так как рекомбинация уже началась. Они достигают Землю сквозь пространство Вселенной, которая продолжает расширяться.

Вы сами можете «увидеть» это излучение. Помехи, которые возникают на пустом канале телевизора, если вы используете простую антенну, похожую на заячьи уши, на 1% вызваны реликтовым излучением.

И все-таки температура реликтового фона не одинакова во всех направлениях. По результатам исследований миссии Planck, температура несколько различается в противоположных полушариях небесной сферы: она немного выше на участках неба южнее эклиптики - около 2,728 K, и ниже в другой половине - около 2,722 K.

Эта разница почти в 100 раз больше остальных наблюдаемых колебаний температуры реликтового фона, и это вводит в заблуждение. Почему так происходит? Ответ очевиден - эта разница происходит не из-за флуктуаций реликтового излучения, она появляется, потому что есть движение!

Когда вы приближаетесь к источнику света или он приближается к вам, спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда отдаляетесь от него или он от вас - спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение).

Реликтовое излучение не может быть более или менее энергичным, значит, мы движемся сквозь пространство. Эффект Доплера помогает определить, что наша Солнечная система движется относительно реликтового излучения со скоростью 368 ± 2 км/с, а местная группа галактик, включающая Млечный Путь, галактику Андромеды и галактику Треугольника, движется со скоростью 627 ± 22 км/с относительно реликтового излучения. Это так называемые пекулярные скорости галактик, которые составляют несколько сотен км/с. Помимо них существуют еще космологические скорости, обусловленные расширением Вселенной и рассчитываемые по закону Хаббла.

Благодаря остаточному излучению от Большого Взрыва мы можем наблюдать, что во Вселенной постоянно все движется и изменяется. И наша галактика - лишь часть этого процесса.

Закон Хаббла Кажущаяся скорость удаления галактики от нас прямо пропорциональна расстоянию до нее. Вернувшись с первой мировой войны, Эдвин Хаббл устроился на работу в высокогорную астрономическую обсерваторию Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, которая в те годы была лучшей в мире по оснащенности. Используя ее новейший телескоп-рефлектор с диаметром главного зеркала 2,5 м, он провел серию любопытных измерений, навсегда перевернувших наши представления о Вселенной. Вообще-то, Хаббл намеревался исследовать одну застаревшую астрономическую проблему - природу туманностей. Эти загадочные объекты, начиная с XVIII века, волновали ученых таинственностью своего происхождения. К XX веку некоторые из этих туманностей разродились звездами и рассосались, однако большинство облаков так и остались туманными - и по своей природе, в частности. Тут ученые и задались вопросом: а где, собственно, эти туманные образования находятся - в нашей Галактике? или часть из них представляют собой иные «островки Вселенной», если выражаться изощренным языком той эпохи? До ввода в действие телескопа на горе Уилсон в 1917 году этот вопрос стоял чисто теоретически, поскольку для измерения расстояний до этих туманностей технических средств не имелось. Начал свои исследования Хаббл с самой, пожалуй, популярной с незапамятных времен туманности Андромеды. К 1923 году ему удалось рассмотреть, что окраины этой туманности представляют собой скопления отдельных звезд, некоторые из которых принадлежат к классу переменных цефеид (согласно астрономической классификации). Наблюдая за переменной цефеидой на протяжении достаточно длительного времени, астрономы измеряют период изменения ее светимости, а затем по зависимости период- светимость определяют и количество испускаемого ею света. Чтобы лучше понять, в чем заключается следующий шаг, приведем такую аналогию. Представьте, что вы стоите в беспросветно темной ночи, и тут вдалеке кто-то включает электрическую лампу. Поскольку ничего, кроме этой далекой лампочки, вы вокруг себя не видите, определить расстояние до нее вам практически невозможно. Может, она очень яркая и светится далеко, а может, тусклая и светится неподалеку. Как это определить? А теперь представьте, что вам каким-то образом удалось узнать мощность лампы - скажем, 60, 100 или 150 ватт. Задача сразу упрощается, поскольку по видимой светимости вы уже сможете примерно оценить геометрическое расстояние до нее. Так вот: измеряя период изменения светимости цефеиды, астроном находится примерно в той же ситуации, как и вы, рассчитывая расстояние до удаленной лампы, зная ее светосилу (мощность излучения). Первое, что сделал Хаббл, - рассчитал расстояние до цефеид на окраинах туманности Андромеды, а значит, и до самой туманности: 900 000 световых лет (более точно рассчитанное на сегодняшний день расстояние до галактики Андромеды, как ее теперь называют, составляет 2,3 миллиона световых лет. - Прим. автора) - то есть туманность находится далеко за пределами Млечного Пути - нашей галактики. Пронаблюдав эту и другие туманности, Хаббл пришел к базовому выводу о структуре Вселенной: она состоит из набора огромных звездных скоплений - галактик. Именно они и представляются нам в небе далекими туманными «облаками», поскольку отдельных звезд на столь огромном удалении мы рассмотреть попросту не можем. Одного этого открытия, вообще- то, хватило бы Хабблу для всемирного признания его заслуг перед наукой. Ученый, однако, этим не ограничился и подметил еще один важный аспект в полученных данных, который астрономы наблюдали и прежде, но интерпретировать затруднялись. А именно: наблюдаемая длина спектральных световых волн, излучаемых атомами удаленных галактик, несколько ниже длины спектральных волн, излучаемых теми же атомами в условиях земных лабораторий. То есть в спектре излучения соседних галактик квант света, излучаемый атомом при скачке электрона с орбиты на орбиту, смещен по частоте в направлении красной части спектра по сравнению с аналогичным квантом, испущенным таким же атомом на Земле. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта Доплера, а это означает, что все наблюдаемые соседние галактики удаляются от Земли, поскольку практически у всех галактических объектов за пределами Млечного Пути наблюдается именно красное спектральное смещение, пропорциональное скорости их удаления. Самое главное, Хабблу удалось сопоставить результаты своих измерений расстояний до соседних галактик (по наблюдениям переменных цефеид) с измерениями скоростей их удаления (по красному смещению). И Хаббл выяснил, что чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Это самое явление центростремительного «разбегания» видимой Вселенной с нарастающей скоростью по мере удаления от локальной точки наблюдения и получило название закона Хаббла. Математически он формулируется очень просто: v = Hr где v - скорость удаления галактики от нас, r - расстояние до нее, а H - так называемая постоянная Хаббла. Последняя определяется экспериментально, и на сегодняшний день оценивается как равная примерно 70 км/(с·Мпк) (километров в секунду на мегапарсек; 1 Мпк приблизительно равен 3,3 миллионам световых лет). А это означает, что галактика, удаленная от нас на расстояние 10 мегапарсек, убегает от нас со скоростью 700 км/с, галактика, удаленная на 100 Мпк, - со скоростью 7000 км/с, и т. д. И, хотя изначально Хаббл пришел к этому закону по результатом наблюдения всего нескольких ближайших к нам галактик, ни одна из множества открытых с тех пор новых, всё более удаленных от Млечного Пути галактик видимой Вселенной из-под действия этого закона не выпадает. Итак, главное и - казалось бы - невероятное следствие закона Хаббла: Вселенная расширяется! Мне этот образ нагляднее всего представляется так: галактики - изюмины в быстро всходящем дрожжевом тесте. Представьте себя микроскопическим существом на одной из изюмин, тесто для которого представляется прозрачным: и что вы увидите? Поскольку тесто поднимается, все прочие изюмины от вас удаляются, причем чем дальше изюмина, тем быстрее она удаляется от вас (поскольку между вами и далекими изюминами больше расширяющегося теста, чем между вами и ближайшими изюминами). В то же время, вам будет представляться, что это именно вы находитесь в самом центре расширяющегося вселенского теста, и в этом нет ничего странного - если бы вы оказались на другой изюмине, вам всё представлялось бы в точности так же. Так и галактики разбегаются по одной простой причине: расширяется сама ткань мирового пространства. Все наблюдатели (и мы с вами не исключение) считают себя находящимися в центре Вселенной. Лучше всего это сформулировал мыслитель XV века Николай Кузанский: «Любая точка есть центр безграничной Вселенной».

В настоящее время по данным астрономических наблюдений установлено, что Вселенная в больших масштабах однородна , т.е. все ее области размером от 300 млн. световых лет и больше выглядят одинаково. В меньших масштабах во Вселенной есть районы, где обнаруживаются скопления галактик и, наоборот, пустоты, где их мало.

Галактикой называется система звезд имеющих общее происхождение и связанных силами притяжения. Галактика, в которой находится наше Солнце – Млечный путь

Расстояния до небесных тел в астрономии определяются по-разному в зависимости от того близко или далеко от нашей планеты эти объекты находятся. В космическом пространстве принято использовать следующие единицы для измерения расстояний:

1 а.е.(астрономическая единица ) = (149597870 2) км;

1 пк (парсек ) = 206265 а.е. = 3,086·10 м;

1 с.г. (световой год ) = 0,307 пк = 9,5·10 м. Световой год – путь, который свет проходит за год.

В настоящей работе предлагается метод определения расстояний до далеких галактик по «красному смещению», т.е. по увеличению длин волн в спектре наблюдаемого удаленного источника излучения по сравнению с соответствующими длинами волн линий в эталонных спектрах.

Под источником света понимают излучение далеких галактик (наиболее ярких звезд или газопылевых туманностей в них). Под «красным смещением » - сдвиг спектральных линий в спектрах химических элементов, из которых состоят эти объекты, в длинноволновую (красную) сторону, по сравнению с длинами волн в спектрах эталонных элементов на Земле. «Красное смещение» обусловлено эффектом Доплера.

Эффект Доплера состоит в том, что излучение, посланное источником, удаляющимся от неподвижного приемника, будет приниматься им как более длинноволновое, по сравнению с излучением от такого же неподвижного источника. Если же источник приближается к приемнику, то длина волны регистрируемого сигнала, наоборот, будет уменьшаться.

В 1924 г советский физик Александр Фридман предсказал, что Вселенная расширяется. Имеющиеся в настоящее время данные показывают, что эволюция Вселенной началась с момента Большого Взрыва. Около 15 млрд. лет назад Вселенная представляла собой точку (ее называют точкой сингулярности ), к которой из-за сильнейшей гравитации в ней, очень высокой температуры и плотности неприменимы известные законы физики. В соответствии с принятой сейчас моделью Вселенная начала раздуваться из точки сингулярности с нарастающим ускорением.

В 1926 г. были получены экспериментальные доказательства расширения Вселенной. Американский астроном Э.Хаббл, при исследовании с помощью телескопа спектров далеких галактик, открыл красное смещение спектральных линий. Это означало, что галактики удаляются друг от друга, причем со скоростью, возрастающей с расстоянием. Хаббл построил линейную зависимость между расстоянием и скоростью, связанную с эффектом Доплера (закон Хаббла):

(1) , где

r – расстояние между галактиками;

v – скорость удаления галактик;

Н – постоянная Хаббла. Значение Н зависит от времени, прошедшего с начала расширения Вселенной до настоящего момента, и меняется в интервале от 50 до 100 км/с·Мпк. В астрофизике, как правило, используют Н= 75 км/с·Мпк. Точность определения постоянной Хаббла составляет

0,5 км/с·Мпк;

с – скорость света в вакууме;

Z – красное смещение длины волны, т.н. космологический фактор.

(2) , где

– длина волны принятого приемником излучения;

– длина волны излучения, испущенного объектом.

Таким образом, измеряя величину смещения линий, например, ионизированного водорода (Н+) в видимой части спектра, можно для наблюдаемой с Земли галактики, определить по формуле (2) ее красное смещение Z и, пользуясь законом Хаббла (1), вычислить расстояние до нее или скорость ее удаления:

Порядок выполнения работы

1. Вызвать программу «Определение расстояний до галактик» на рабочем столе компьютера. На экране монитора появится область Вселенной с девятью разными галактиками, наблюдаемыми с поверхности Земли. В верхней части экрана появляется спектр видимого света и маркер длины волны ионизированного водорода H+.

2. Установите курсор на галактике, указанной преподавателем и щелкните клавишей.

3. Запишите в таблицу измерений длину волны и λ излучаемую этой галактикой при ее удалении.

Рассмотрим две галактики, находящиеся на расстоянии L друг от друга и удаляющиеся друг от друга со скоростью V . Чему равна величина красного смещения в спектре первой галактики, измеренная наблюдателем, находящимся на второй?

Казалось бы, ответ очевиден. Величина красного смещения z равна:

Однако такую величину красного смещения следовало бы ожидать в стационарной Вселенной. Но ведь наша Вселенная расширяется! Может ли сам факт расширения Вселенной влиять на величину красного смещения?

Изменим условие задачи. Теперь предположим, что галактики находятся на фиксированном расстоянии L друг от друга (например, они медленно вращаются вокруг общего центра масс). Обнаружит ли наблюдатель, находящийся на одной галактике, красное смещение в спектре другой, из-за того, что Вселенная расширяется?

Когда Вселенная расширяется, она преодолевает гравитационное притяжение между своими частями. Поэтому по мере расширения Вселенной скорость её расширения уменьшается. Фотон, двигаясь от одной галактики к другой, так же, как и любой объект внутри Вселенной, гравитационно взаимодействует с расширяющейся материей и, тем самым, «тормозит» расширение Вселенной. Поэтому энергия фотона, движущегося в расширяющейся Вселенной, должна уменьшаться. Сделаем количественные оценки.

Когда фотон вылетел из одной галактики, гравитационный потенциал внутри Вселенной, создаваемый всей материей Вселенной, был равен Ф 1 . Когда фотон прилетел во вторую галактику, гравитационный потенциал внутри Вселенной увеличился из-за расширения Вселенной и стал равен Ф 2 > Ф 1 (при этом |Ф 2 | < | Ф 1 |, так как гравитационный потенциал меньше нуля). То есть фотон, вылетев из области с более низким гравитационным потенциалом, прилетел в область с более высоким гравитационным потенциалом. В результате этого энергия фотона уменьшилась.

Таким образом, величина красного смещения в спектре излучения галактики, которая удаляется от нас, будет складываться из двух частей. Первая часть, вызванная непосредственно скоростью удаления галактик, – это так называемый доплеровский эффект. Его величина равна:

Вторая часть вызвана тем, что Вселенная расширяется, и поэтому гравитационный потенциал внутри неё возрастает. Это так называемое красное гравитационное смещение. Его величина равна:

(8.9)

Здесь Ф 1 – гравитационный потенциал Вселенной в месте вылета фотона, в момент его вылета; Ф 2 – гравитационный потенциал Вселенной в месте регистрации фотона, в момент его регистрации.

В результате величина красного смещения в спектре излучения удаляющейся от нас галактики будет равна:

(8.10)

И мы приходим к очень важному выводу. Только часть красного космологического смещения, наблюдаемого в спектрах излучения далёких галактик, вызвана непосредственно удалением этих галактик от нас. Другая же часть красного смещения вызвана увеличением гравитационного потенциала Вселенной. Поэтому скорости, с которыми галактики удаляются от нас, меньше , чем предполагается в современной космологии, а возраст Вселенной, соответственно, больше .

Расчёты, выполненные в , показывают, что если плотность Вселенной близка к критической (такой вывод делается на основе изучения крупномасштабного распределения галактик), то:

То есть только 2/3 величины красного космологического смещения z 0 в спектрах далёких галактик (8.10) вызвано скоростью удаления галактик. Соответственно, постоянная Хаббла в 1,5 раза меньше, чем предполагается в современной космологии, а возраст Вселенной, наоборот, в 1,5 раза больше.

А как решается вопрос о происхождении красного космологического смещения в общей теории относительности? Рассмотрим две галактики, которые участвуют в космологическом расширении Вселенной и пекулярные скорости которых настолько малы, что ими можно пренебречь. Пусть расстояние между галактиками в момент вылета фотона из первой галактики равно L . Когда фотон прилетит во вторую галактику, расстояние между галактиками увеличится и будет равно L + L D. В общей теории относительности гравитационное взаимодействие полностью сводится к геометрии. Согласно этой теории наиболее важной величиной, характеризующей расширяющуюся Вселенную, является так называемый масштабный фактор. Если пекулярными скоростями двух удалённых друг от друга галактик можно пренебречь, то масштабный фактор будет изменяться пропорционально изменению расстояния между этими галактиками.

Согласно общей теории относительности длина волны фотона l, движущегося в расширяющейся Вселенной, изменяется пропорционально изменению масштабного фактора, и красное смещение, соответственно, равно:

(8.12)

Если V – скорость удаления галактик друг от друга, t – время полёта фотона, то:

В результате получаем:

Таким образом, согласно общей теории относительности красное космологическое смещение не зависит ни от плотности Вселенной, ни от скорости, с которой изменяется гравитационный потенциал Вселенной, а зависит только от относительной скорости разбегания галактик. И если бы, например, наша Вселенная расширялась с такой же скоростью, что и сейчас, но имела бы при этом в несколько раз меньшую плотность, то согласно общей теории относительности величина красного космологического смещения в спектрах излучения галактик была бы той же самой . Получается, что существование огромных масс внутри Вселенной, сдерживающих расширение Вселенной, никак не влияет на энергию движущихся фотонов! Это представляется маловероятным.

Возможно, именно поэтому возникли серьёзные проблемы при попытке объяснить в рамках общей теории относительности зависимость красных смещений в спектрах очень далёких сверхновых звёзд от величины расстояния до них. И чтобы «спасти» общую теорию относительности, в конце двадцатого века космологи выдвинули предположение, что наша Вселенная расширяется не с замедлением, а, наоборот, с ускорением, вопреки закону Всемирного тяготения (эта тема обсуждается в ).

Здесь мы не будем обсуждать гипотезу ускоренного расширения Вселенной (хотя, по моему глубокому убеждению, не только общая теория относительности, но и никакая другая теория не стоит того, чтобы её спасать при помощи подобных гипотез), а вместо этого постараемся перевести данную проблему из области теоретической физики в область эксперимента. Действительно, зачем вести теоретические споры о происхождении красного космологического смещения, если можно получить ответ на этот вопрос в физической лаборатории?

Сформулируем этот важный вопрос ещё раз. Существует ли красное космологическое смещение, вызванное не доплеровским эффектом удаления галактик, а тем фактом, что при движении фотона возрастает гравитационный потенциал Вселенной?

Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно провести следующий эксперимент (см. рис. 33).

Луч лазера разделяется на два луча так, что один луч сразу попадает на детектор, а второй луч сначала движется некоторое время между двумя параллельными зеркалами и только после этого попадает на детектор. Таким образом, второй луч попадает на детектор с временной задержкой t(несколько минут). И на детекторе сравниваются длины волн двух лучей, испущенных в моменты времени t -tи t . Изменение длины волны второго луча относительно первого следует ожидать из-за возрастания гравитационного потенциала Вселенной, вызванного её расширением.

Этот эксперимент подробно обсуждается в , поэтому сейчас мы рассмотрим только основные выводы, которые можно будет сделать после его проведения.

Рис. 33 . Принципиальная схема эксперимента по измерению красного космологического смещения, вызванного не доплеровским эффектом, а изменением гравитационного потенциала внутри Вселенной.

Луч лазера направляется на полупрозрачное зеркало. При этом одна часть луча проходит сквозь зеркало и по кратчайшему пути попадает на детектор. А вторая часть луча, отразившись от зеркала и пройдя через систему зеркал 1, 2, 3, попадает на детектор с некоторой задержкой по времени. И в результате на детекторе сравниваются длины волн двух лучей, испущенных в разные моменты времени.

Во-первых, мы сможем узнать, существует или нет красное космологическое смещение, вызванное не скоростью удаления источника, а самим фактом расширения Вселенной, то есть возрастанием гравитационного потенциала внутри Вселенной.

Во-вторых, если такое смещение будет обнаружено (а для этого есть все основания), то, тем самым, мы, посредством лабораторного эксперимента, докажем сам факт расширения Вселенной . И более того, сможем измерить скорость, с которой возрастает гравитационный потенциал, создаваемый всей материей во Вселенной.

В-третьих, отняв от величины красного смещения в спектрах далёких галактик ту часть, которая вызвана не скоростью их удаления, а изменением гравитационного потенциала, мы узнаем истинную скорость удаления галактик, и таким образом сможем исправить существующую оценку возраста Вселенной.