Красное смещение» в спектрах галактик и закон Хаббла

В 1929 году, исследуя взаимозависимость между разделяющими галактиками расстояниями и их относительными скоростями, американский астроном Эдвин Хаббл на уровне статистической закономерности смог установить численное соотношение, связывающее скорость взаимного удаления галактик с расстоянием между ними. Эта закономерность получила название закон Хаббла: скорость относительного удаления галактик (v) пропорциональна расстоянию между ними (r), т.е. v = Hr, где Н – коэффициент пропорциональности или постоянная Хаббла. По уточненным на 2010 г. данным Н ≈ 70, 4 (км/с) / Мпк, т.е. две галактики, разделённые расстоянием в 1 Мпк ≈ 3∙10¹⁹ км, в среднем удаляются примерно со скоростью 70,4 км/с.

Основой для понимания закона Хаббла является эффект Доплера, описывающий изменение длины волны света движущегося объекта (в данном случае звезды и галактики) по отношения к наблюдателю. Суть этого эффекта состоит в следующем: когда происходит сближение источника света и наблюдателя, изменение частоты и соответственно длины волны света движущегося объекта в спектре источника смещаются в сторону коротких волн (фиолетовое смещение), когда источник света и наблюдатель отдаляются друг от друга — спектральные линии смещаются в сторону длинных волн (красное смещение). Изучая спектры галактик, Хаббл обнаружил, что линии поглощения в этих спектрах существенно смещены по длине волны в красную сторону.Это позволило ученому сделать вывод о том, что почти все галактики удаляются от нас, а разбегание галактик может быть объяснено расширением всей Вселенной. Таким образом, в 1929 году Хаббл впервые установил нестационарность Вселенной.

Концепцию нестационарности Вселенной предложил советский физик Александр Фридман еще в 1922 году. Он теоретически разработал и математически обосновал возможные варианты ее эволюции, которые сейчас называют моделями Фридмана. Согласно этой теории существует некоторое критическое значение средней плотности Вселенной - 10²⁹ г/см³. Если средняя плотность Вселенной меньше критической, то ее ожидает бесконечное расширение, если больше критической, то под действием гравитации через какое-то время начнется процесс сближения галактик и «схлопывания» Вселенной, если же средняя плотность Вселенной и критическая совпадают, то расширение Вселенной постепенно прекращается. В течение многих лет эту концепцию не принимали всерьёз. Эйнштейн считал, что Вселенная статична. Она всегда была и будет неизменной. Но обнаруженные Эдвином Хабблом закономерности изменили представления о рождении Вселенной.

Наблюдаемое расширение Вселенной можно трактовать как следствие первоначального Большого взрыва, произошедшего в начале существования нашей Вселенной. Теория большого взрыва строится на том, что материя и энергия, из которых состоит все сущее во Вселенной, ранее находилось в состоянии, характеризующемся крайне высокой температурой (Т > 10³⁰ К), плотностью (ρ > 10⁹³ г/см³) и давлением. Все из чего на данный момент состоит Вселенная, заключалось в микроскопически малой частице, которая в какой-то момент пришла в нестабильное состояние. В результате этого примерно 13,7 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, после которого началось быстрое расширение Вселенной. Это привело к ее охлаждению до такой температуры, что энергия начала превращение в первые субатомные частицы, которые только через несколько тысяч лет объединились в первые атомы. Примерно после первого миллиона лет атомы двух самых легких элементов, водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звезды первого поколения, состоящих в основном из водорода и гелия. Формирование более тяжелых химических элементов происходило в недрах звезд. Звезды эволюционировали, образовывались сверхновые, в результате этого появлялись более тяжелые элементы. Они формировали звезды второго поколения, содержащие азот, кислород, неон и др. Параллельно образуются планетарные системы. Примером звезды второго поколения может служить Солнце, ее примерный возраст 7–10 млрд лет. А возраст Солнечной системы оценивается примерно в 5,5 млрд. лет.

Подтверждением модели Большого взрыва в 1965 г. послужило исследование американских радиоастрономов А. Пензиас и Р. Вильсон. Они обнаружили радиоизлучения Вселенной, идущие равномерно по всем направления с температурой около 2,7 К и не имеющие источника. Это излучение, названное реликтовым, интерпретируют как остаточное излучение ранней горячей Вселенной. Реликтовое излучение – это самое древнее излучение, которое наблюдается во Вселенной и оно может рассказать о сценарии Большого взрыва.

Для воссоздания первых секунд существования Вселенной в Швейцарии построен ускоритель элементарных частиц – Большой адронный коллайдер. Таких ускорителей в истории физики ещё не бывало. CERN (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire) - это самый большой в мире экспериментальный комплекс, длиной в 27 км. В его проектах принимает участие несколько тысяч исследователей и ученых из 80 стран мира. Именно он позволил открыть знаменитый бозон Хиггса – квант поля, придающего элементарным частицам массу; установить рекордную температуру, когда-либо созданную человеком (примерно 5,5 триллионов градусов Цельсия) и еще много открытий из области физики высоких энергий.

Совместные международные проекты и программы осуществляются и при исследовании и использовании космического пространства. Они охватывают самые разные сферы космической деятельности: создание образцов космической техники, совместные пилотируемые полеты, проведение научных исследований, использование результатов космической деятельности и других глобальных космических проектов, обеспечивающих устойчивое развитие человечества.

Выводы: Вселенная как система представляет собой единство многообразия иерархически расположенных объектов. Основные структурные элементы Вселенной – галактики, в состав которых входят звездные системы, газовые и пылевые туманности, планетные системы.

Вселенная согласно современным представлениям не стационарна, она эволюционирует. Наблюдается ускоренное расширение Вселенной. Химические элементы синтезировались в ходе эволюции Вселенной и космических объектов, прежде всего звезд.

Задание 1: Установите соответствие между названием и его описанием

Задание 2. Гораздо проще сказать, что расстояние от Солнца до ближайшей звезды равно 1,3 парсека, чем _________ триллионов километров. Сделайте вычисления и заполните пропуск в тексте (ответ запишите с точностью до десятитысячных)