26.5: Всесвіт, що розширюється

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78471

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Опишіть відкриття, що галактики все далі розлучаються в міру еволюції Всесвіту
Поясніть, як використовувати закон Хаббла для визначення відстаней до віддалених галактик
Опишіть моделі для природи розширюється Всесвіту
Поясніть зміну константи Хаббла

Тепер ми підійшли до одного з найважливіших відкриттів, коли-небудь зроблених в астрономії - той факт, що Всесвіт розширюється. Перш ніж описувати, як було зроблено відкриття, слід зазначити, що перші кроки у вивченні галактик відбулися в той час, коли методи спектроскопії також досягали великих успіхів. Астрономи, які використовують великі телескопи, могли записувати спектр слабкої зірки або галактики на фотографічних пластин, направляючи свої телескопи, щоб вони залишалися спрямованими на один і той же об'єкт протягом багатьох годин і збирали більше світла. Отримані спектри галактик містили безліч відомостей про склад галактики і швидкостях цих великих зоряних систем.

Піонерські спостереження Сліфера

Цікаво, що відкриття розширення Всесвіту почалося з пошуку марсіан та інших сонячних систем. У 1894 році суперечливий (і багатий) астроном Персіваль Лоуелл заснував обсерваторію у Флагстаффі, штат Арізона, для вивчення планет і пошуку життя у Всесвіті. Лоуелл вважав, що спіральні туманності можуть бути сонячними системами в процесі формування. Тому він попросив одного з молодих астрономів обсерваторії, Весто М. Сліпера (рис.$\PageIndex{1}$), сфотографувати спектри деяких спіральних туманностей, щоб побачити, чи можуть їх спектральні лінії показувати хімічні склади, подібні до тих, що очікуються для нових планет.

альт — Малюнок$\PageIndex{1}$ Весто М. Сліфер (1875—1969). Сліфер всю свою кар'єру провів в обсерваторії Лоуелла, де виявив великі радіальні швидкості галактик.

Основним інструментом обсерваторії Лоуелла був 24-дюймовий заломлюючий телескоп, який зовсім не добре підходив для спостережень слабких спіральних туманностей. Завдяки технології, доступній у ті часи, фотографічні пластини довелося виставляти протягом 20-40 годин, щоб створити хороший спектр (в якому положення ліній могли виявити рух галактики). Це часто означало продовжувати виставляти одну і ту ж фотографію протягом декількох ночей. Починаючи з 1912 року, і докладаючи героїчних зусиль протягом приблизно 20 років, Сліфер зумів сфотографувати спектри понад 40 спіральних туманностей (які всі виявилися б галактиками).

На його подив, спектральні лінії більшості галактик показали вражаюче червоне зсув. Під «червоним зміщенням» ми маємо на увазі, що лінії в спектрах зміщуються до довших довжин хвиль (до червоного кінця видимого спектру). Нагадаємо з глави про випромінювання та спектри, що червоне зсув видно, коли джерело хвиль віддаляється від нас. Спостереження Сліпера показали, що більшість спіралей мчать на величезних швидкостях; найвища швидкість, яку він виміряв, становила 1800 кілометрів в секунду.

Лише кілька спіралей, таких як Галактики Андромеди та Триангулу та M81 - всі з яких, як відомо, є нашими близькими сусідами, виявилися наближаються до нас. Всі інші галактики віддалялися. Сліфер вперше оголосив про це відкриття в 1914 році, за роки до того, як Хаббл показав, що ці об'єкти були іншими галактиками, і перш ніж хто-небудь знав, як далеко вони знаходяться. Ніхто в той час зовсім не знав, що робити з цим відкриттям.

Закон Хаббла

Глибокі наслідки роботи Сліфер стали очевидними лише протягом 1920-х років. Жорж Леметр був бельгійським священиком і підготовленим астрономом. У 1927 році він опублікував статтю французькою мовою в неясному бельгійському журналі, в якому припустив, що ми живемо в розширюється Всесвіті. Назва статті (у перекладі англійською мовою) - «Однорідна Всесвіт постійної маси і зростаючого радіуса, що враховує радіальну швидкість позагалактичних туманностей». Леметр виявив, що рівняння відносності Ейнштейна узгоджуються з розширюється Всесвітом (як і російський вчений Олександр Фрідман самостійно в 1922 році). Потім Lemaître продовжував використовувати дані Сліфер, щоб підтримати гіпотезу про те, що Всесвіт насправді розширюється, і оцінити швидкість розширення. Спочатку вчені приділяли мало уваги цій роботі, можливо, тому, що бельгійський журнал не був широко доступний.

Тим часом Хаббл здійснював спостереження за галактиками за допомогою 2,5-метрового телескопа на горі. Вілсона, який тоді був найбільшим у світі. Хаббл провів ключові спостереження у співпраці з чудовою людиною Мілтоном Хумасоном, який кинув школу у восьмому класі і розпочав свою астрономічну кар'єру, проїхавши поїзд мулів по стежці на горі Вілсон до обсерваторії (рис.$\PageIndex{2}$). У ті перші дні припаси потрібно було виховувати таким чином; навіть астрономи піднімалися на вершину гори для своїх поворотів на телескоп. Хумасон зацікавився роботою астрономів і, вийшовши заміж за дочку електрика обсерваторії, влаштувався туди двірником. Через деякий час він став нічним помічником, допомагаючи астрономам керувати телескопом і записувати дані. Зрештою, він зробив таку позначку, що став повноцінним астрономом в обсерваторії.

До кінця 1920-х років Хумасон співпрацював з Хабблом, фотографуючи спектри слабких галактик за допомогою 2,5-метрового телескопа. (На той час не було сумніву, що спіральні туманності насправді є галактиками.) Хаббл знайшов способи підвищити точність оцінок відстаней до спіральних галактик, і він зміг виміряти набагато слабкіші і віддалені галактики, ніж Сліфер міг спостерігати за допомогою свого набагато меншого телескопа. Коли Хаббл поклав власні оцінки відстані поруч із вимірами швидкостей рецесії (швидкості, з якою галактики віддалялися), він виявив щось приголомшливе: існувала залежність між відстанню і швидкістю для галактик. Чим віддаленіша галактика, тим швидше вона відступала від нас.

У 1931 році Хаббл і Хумасон спільно опублікували насіннєвий документ, де порівняли відстані і швидкості віддалених галактик, що віддаляються від нас зі швидкістю до 20 000 кілометрів в секунду і змогли показати, що швидкості спаду галактик прямо пропорційні їх відстаням від нас. (Малюнок$\PageIndex{3}$), так само, як запропонував Леметр.

Тепер ми знаємо, що ці відносини тримаються для кожної галактики, крім кількох найближчих. Майже всі галактики, які наближаються до нас, виявляються частиною власної групи галактик Чумацького Шляху, які мають свої індивідуальні рухи, подібно до того, як птахи, що літають групою, можуть літати в дещо різних напрямках з дещо різною швидкістю, хоча вся зграя подорожує через космос. разом.

Написана у вигляді формули, співвідношення між швидкістю та відстанню дорівнює

\[v=H \times d \nonumber\]

де$v$ - швидкість спаду,$d$ це відстань, і$H$ це число, яке називається постійною Хаббла. Це рівняння тепер відоме як закон Хаббла.

Константи пропорційності

Математичні відносини, такі як закон Хаббла, досить поширені в житті. Щоб взяти простий приклад, припустимо, що ваш коледж чи університет наймає вас зателефонувати багатим випускникам і попросити пожертвування. Вам платять 2,50 доларів за кожен дзвінок; чим більше дзвінків ви можете стиснути між вивченням астрономії та іншими курсами, тим більше грошей ви забираєте додому. Ми можемо налаштувати формулу$p$, яка підключає вашу оплату та$n$ кількість дзвінків

\[p=A \times n \nonumber\]

де$A$ константа випускників, зі значенням $2,50. Якщо ви зробите 20 дзвінків, ви заробите $2,50 рази 20, або 50 доларів.

Припустимо, ваш начальник забуває розповісти вам, що вам будуть платити за кожен дзвінок. Ви можете обчислити постійну випускників, яка регулює вашу оплату, відстежуючи, скільки дзвінків ви робите і відзначаючи вашу валу зарплату щотижня. Якщо ви робите 100 дзвінків за перший тиждень і вам платять 250 доларів, можна зробити висновок, що константа дорівнює 2.50$ (в одиницях доларів за дзвінок). Хаббл, звичайно, не мав «боса», щоб сказати йому, якою буде його константа - йому довелося обчислити її значення за вимірами відстані та швидкості.

Астрономи висловлюють значення константи Хаббла в одиницях, які стосуються того, як вони вимірюють швидкість і швидкість для галактик. У цій книзі ми будемо використовувати кілометри в секунду на мільйон світлових років як цю одиницю. Протягом багатьох років оцінки значення константи Хаббла були в діапазоні від 15 до 30 кілометрів на секунду на мільйон світлових років Найновіша робота, схоже, сходиться на значенні близько 22 кілометрів на секунду на мільйон світлових років Якщо$H$ це 22 кілометри в секунду на мільйон світла -років, галактика віддаляється від нас зі швидкістю 22 кілометри в секунду на кожен мільйон світлових років своєї відстані. Як приклад, галактика на відстані 100 мільйонів світлових років віддаляється від нас зі швидкістю 2200 кілометрів в секунду.

Закон Хаббла говорить нам щось фундаментальне про Всесвіт. Оскільки всі, крім найближчих галактик, здається, знаходяться в русі від нас, а найвіддаленіші рухаються найшвидше, ми повинні жити у всесвіті, що розширюється. Ми вивчимо наслідки цієї ідеї найближчим часом, а також у заключних розділах цього тексту. Наразі ми просто скажемо, що спостереження Хаббла лежить в основі всіх наших теорій про походження та еволюцію Всесвіту.

Закон Хаббла та відстані

Регулярність, виражена в законі Хаббла, має вбудований бонус: він дає нам новий спосіб визначення відстаней до віддалених галактик. По-перше, ми повинні надійно встановити константу Хаббла, вимірюючи як відстань, так і швидкість багатьох галактик у багатьох напрямках, щоб бути впевненим, що закон Хаббла є справді універсальною властивістю галактик. Але як тільки ми обчислили значення цієї константи і переконалися, що вона застосовується скрізь, набагато більше Всесвіту відкривається для визначення відстані. В основному, якщо ми зможемо отримати спектр галактики, ми можемо відразу сказати, як далеко він знаходиться.

Процедура працює так. Ми використовуємо спектр для вимірювання швидкості, з якою галактика віддаляється від нас. Якщо потім поставити цю швидкість і постійну Хаббла в рівняння закону Хаббла, ми зможемо вирішити для відстані.

Приклад$\PageIndex{1}$: закон Хаббла

Закон Хаббла ($v = H \times d$) дозволяє обчислити відстань до будь-якої галактики. Ось як ми використовуємо його на практиці.

Ми виміряли константу Хаббла 22 км/с на мільйон світлових років. Це означає, що якщо галактика знаходиться на відстані 1 мільйона світлових років, вона віддалиться на 22 км/с швидше. Отже, якщо ми знайдемо галактику, яка віддаляється на 18 000 км/с, що закон Хаббла говорить нам про відстань до галактики?

Рішення

\[d = \frac{v}{H} = \frac{18,000 \text{ km/s}}{ \frac{22 \text{ km/s}}{1 \text{ million light-years}}} = \frac{18,000}{22} \times \frac{1 \text{ million light-years}{1} = 818 \text{ million light-years} \nonumber\]

Зверніть увагу, як ми обробляли одиниці тут: км/с в чисельнику та знаменнику скасовують, а коефіцієнт мільйонів світлових років у знаменнику константи повинен бути розділений правильно, перш ніж ми отримаємо відстань 818 мільйонів світлових років.

Вправа$\PageIndex{1}$

Використовуючи 22 км/с/мільйон світлових років для постійної Хаббла, яку швидкість рецесії ми очікуємо знайти, якщо ми спостерігаємо галактику на 500 мільйонів світлових років?

Відповідь: \[v=d \times H = 500 \text{ million light-years} \times \frac{22 \text{ km/s}}{1 \text{ million light-years}} = 11,000 \text{ km/s} \nonumber\]

Варіація константи Хаббла

Використання червоного зсуву потенційно є дуже важливою технікою визначення відстаней, оскільки, як ми бачили, більшість наших методів визначення відстаней галактик обмежені приблизно найближчими кількома сотнями мільйонів світлових років (і вони мають великі невизначеності на цих відстанях). Використання закону Хаббла як індикатора відстані вимагає лише спектра галактики та вимірювання доплерівського зсуву, а з великими телескопами та сучасними спектрографами можна приймати спектри надзвичайно слабких галактик.

Але, як це часто буває в науці, все не так просто. Ця техніка працює тоді, коли і лише тоді, константа Хаббла була справді постійною протягом усього життя Всесвіту. Коли ми спостерігаємо галактики за мільярди світлових років, ми бачимо їх такими, якими вони були мільярди років тому. Що робити, якщо «константа» Хаббла відрізнялася мільярди років тому? До 1998 року астрономи вважали, що, хоча Всесвіт розширюється, розширення повинно сповільнюватися або сповільнюватися, оскільки загальна гравітаційна тяга всієї матерії у Всесвіті матиме домінантний, вимірюваний ефект. Якщо розширення сповільнюється, то константа Хаббла з часом повинна зменшуватися.

Відкриття того, що наднові типу Ia є стандартними лампочками, дало астрономам інструмент, необхідний їм для спостереження за надзвичайно віддаленими галактиками та вимірювання швидкості розширення мільярди років тому. Результати виявилися абсолютно несподіваними. Виявляється, розширення Всесвіту з часом прискорюється! Що робить цей результат настільки вражаючим, це те, що існуючі фізичні теорії не можуть враховувати це спостереження. Хоча уповільнюючий Всесвіт можна було легко пояснити гравітацією, у Всесвіті не було відомої астрономам сили чи властивості, які могли б пояснити прискорення. У розділі «Великий вибух» ми більш детально розглянемо спостереження, які привели до цього абсолютно несподіваного результату, і дослідимо його наслідки для кінцевої долі Всесвіту.

У будь-якому випадку, якщо константа Хаббла насправді не є постійною, коли ми переглядаємо великі прольоти простору та часу, то розрахунок відстаней галактик за допомогою константи Хаббла не буде точним. Як ми побачимо в розділі про Великий вибух, точний розрахунок відстаней вимагає моделі того, як константа Хаббла змінювалася з часом. Чим далі знаходиться галактика (і чим довше ми її бачимо), тим важливіше включити наслідки зміни константи Хаббла. Однак для галактик протягом декількох мільярдів світлових років припущення про те, що константа Хаббла дійсно постійна, дає хороші оцінки відстані.

Моделі для розширюється Всесвіту

Спочатку, думаючи про закон Хаббла і будучи шанувальником творчості Коперника і Харлоу Шеплі, ви можете бути шоковані. Чи всі галактики дійсно віддаляються від нас? Чи є, врешті-решт, щось особливе у нашому становищі у Всесвіті? Не хвилюйтеся; той факт, що галактики відступають від нас і що більш віддалені галактики віддаляються швидше, ніж сусідні, показує лише те, що Всесвіт розширюється рівномірно.

Рівномірно розширюється Всесвіт - це той, який розширюється з однаковою швидкістю скрізь. У такому Всесвіті ми і всі інші спостерігачі, де б вони не знаходилися, повинні дотримуватися пропорційність між швидкостями і відстанями еквівалентно віддалених галактик. (Тут ми ігноруємо той факт, що константа Хаббла не є постійною протягом усього часу, але якщо в будь-який момент часу еволюції Всесвіту константа Хаббла всюди має однакове значення, цей аргумент все одно працює.)

Щоб зрозуміти, чому, спочатку уявіть лінійку з еластичної гуми, зі звичайними лініями, позначеними на кожному сантиметрі. Тепер припустимо, що хтось з сильними руками хапає кожен кінець лінійки і повільно розтягує його так, щоб, скажімо, він подвоївся в довжину за 1 хвилину (рис.$\PageIndex{4}$). Розглянемо розумного мураха, що сидить на позначці в 2 сантиметри - точка, яка не знаходиться ні на кінці, ні в середині лінійки. Він вимірює, наскільки швидко інші мурахи, що сидять на 4-, 7- і 12-сантиметрових відмітках, відходять від нього в міру розтягування лінійки.

Мураха на 4 сантиметри, спочатку на відстані 2 сантиметри від нашої мурахи, подвоїла відстань за 1 хвилину; тому він відійшов зі швидкістю 2 сантиметри на хвилину. Мураха на позначці 7 сантиметрів, яка спочатку була на відстані 5 сантиметрів від нашої мурахи, тепер знаходиться на відстані 10 сантиметрів; таким чином йому довелося рухатися зі швидкістю 5 сантиметрів на хвилину. Той, що почався на позначці 12 сантиметрів, яка була на відстані 10 сантиметрів від мурахи, яка робить підрахунок, тепер знаходиться на відстані 20 сантиметрів, тобто він, мабуть, мчав зі швидкістю 10 сантиметрів на хвилину. Мурахи на різну відстань віддаляються з різною швидкістю, а їх швидкість пропорційна їх відстаням (так само, як вказує закон Хаббла для галактик). Тим не менш, зауважте в нашому прикладі, що все, що робив правитель, розтягувався рівномірно. Також зверніть увагу, що жоден з мурах насправді не рухався за власним бажанням, саме розтягування правителя розсунуло їх.

Тепер давайте повторимо аналіз, але поставимо розумного мурахи на якусь іншу позначку - скажімо, на 7 або 12 сантиметрів. Ми виявляємо, що до тих пір, поки лінійка рівномірно розтягується, ця мураха також знаходить кожного іншого мурахи, що рухається зі швидкістю, пропорційною його відстані. Іншими словами, вид відносин, виражений законом Хаббла, можна пояснити рівномірним розтягуванням «світу» мурах. І всі мурахи на нашій простій схемі побачать, як інші мурахи віддаляються від них, коли лінійка тягнеться.

Для тривимірної аналогії розглянемо буханець хліба з родзинками на рис$\PageIndex{5}$. Шеф-кухар випадково поклав занадто багато дріжджів у тісто, і коли вона встановлює хліб піднятися, він подвоюється в розмірі протягом наступної години, змушуючи все родзинки рухатися далі один від одного. На малюнку знову підбираємо представницький родзинку (тобто не по краю або центру батона) і показуємо відстані від нього до кількох інших на малюнку (до і після того, як коровай розширюється).

Виміряйте збільшення відстані і розрахуйте для себе швидкості на хлібі з родзинками, так само, як ми робили для лінійки. Ви побачите, що, оскільки кожна відстань подвоюється протягом години, кожен родзинки відходить від нашого обраного родзинки зі швидкістю, пропорційною його відстані. Те ж саме вірно незалежно від того, з якого родзинки ви починаєте.

Наші дві аналогії корисні для з'ясування нашого мислення, але ви не повинні сприймати їх буквально. Як на лінійці, так і на хлібі з родзинками є точки, які знаходяться на кінці або краю. Ви можете використовувати їх, щоб точно визначити середину лінійки та буханку. Хоча наші моделі Всесвіту мають деяку схожість з властивостями правителя і короваю, Всесвіт не має кордонів, немає країв і немає центру (всі приголомшливі ідеї, які ми обговоримо в наступному розділі).

Що корисно помітити і про мурах, і про родзинках, так це те, що вони самі не «викликали» свій рух. Це не так, якби родзинки вирішили взяти поїздку подалі один від одного, а потім стрибав на ховерборді, щоб піти. Ні, в обох наших аналогіях саме розтягування середовища (лінійки або хліба) переміщало мурах або родзинки далі один від одного. Таким же чином ми побачимо в розділі «Великий вибух», що галактики не мають ракетних двигунів, що рухають їх подалі один від одного. Натомість вони є пасивними учасниками розширення простору. Коли простір розтягується, галактики переносяться все далі і далі один від одного, наскільки мурахи та родзинки були. (Якщо це поняття «розтягування» космосу дивує або турбує вас, зараз був би гарний час переглянути інформацію про простор-час в Чорних дірах і Curved Spacetime. Ми будемо обговорювати ці ідеї далі, коли наша дискусія розширюється від галактик до всього Всесвіту.)

Розширення Всесвіту, до речі, не означає, що окремі галактики і скупчення галактик самі розширюються. Ні родзинки, ні мурахи в нашій аналогії не збільшуються в розмірах у міру розширення буханки. Так само гравітація утримує галактики та скупчення галактик разом, і вони віддаляються один від одного - без зміни розмірів - у міру розширення Всесвіту.

Резюме

Всесвіт розширюється. Спостереження показують, що спектральні лінії далеких галактик зміщені в червоний колір, і що їх швидкості рецесії пропорційні їх відстаням від нас, відносини, відомі як закон Хаббла. Швидкість спаду, звана постійною Хаббла, становить приблизно 22 кілометри в секунду на мільйон світлових років. Ми не в центрі цього розширення: спостерігач у будь-якій іншій галактиці побачив би ту саму схему розширення, що і ми. Розширення, описане законом Хаббла, найкраще розуміти як розтягнення простору.

Глосарій

Постійна Хаббла: константа пропорційності в законі, що стосується швидкостей віддалених галактик до їх відстаней

Закон Хаббла: правило, що радіальні швидкості віддалених галактик пропорційні їх відстаням від нас

червона зміна: коли лінії в спектрах зміщуються до довших довжин хвиль (до червоного кінця видимого спектра)

Цілі навчання

Константи пропорційності

Приклад\(\PageIndex{1}\): закон Хаббла

Вправа\(\PageIndex{1}\)