Se qualcuno pensa che la parola “scappare” abbia un carattere prettamente sportivo, o tutt’al più “anticoniugale”, allora si sbaglia. Ci sono interpretazioni molto più interessanti. Ad esempio, la legge cosmologica di Hubble indica che... le galassie si stanno disperdendo!

Tre tipi di nebulose

Immagina: in uno spazio nero, enorme e senz'aria, i sistemi stellari si stanno allontanando silenziosamente e lentamente l'uno dall'altro: “Addio! Arrivederci! Arrivederci!". Forse lasciamo da parte le “divagazioni liriche” e rivolgiamoci all’informazione scientifica. Nel 1929, l'astronomo più influente del XX secolo, lo scienziato americano Edwin Powell Hubble (1889-1953), giunse alla conclusione che l'Universo era in costante espansione.

Un uomo che ha dedicato tutta la sua vita adulta a svelare la struttura dello spazio, è nato a Marshfield. Fin da giovane si è interessato all'astronomia, anche se alla fine è diventato un avvocato certificato. Dopo la laurea all'Università di Cambridge, Edwin ha lavorato a Chicago presso l'Osservatorio di York. Combatté nella prima guerra mondiale (1914-1918). Gli anni al fronte non fecero altro che ritardare nel tempo la scoperta. Oggi l'intero mondo scientifico sa cos'è la costante di Hubble.

Sulla strada della scoperta

Di ritorno dal fronte, lo scienziato ha rivolto la sua attenzione all'Osservatorio d'alta quota di Mount Wilson (California). È stato assunto lì. Innamorato dell'astronomia, il giovane trascorreva molto tempo guardando attraverso le lenti di enormi telescopi da 60 e 100 pollici. Per quel tempo - il più grande, quasi fantastico! Gli inventori hanno lavorato sui dispositivi per quasi un decennio, ottenendo il massimo ingrandimento e la massima chiarezza possibili dell'immagine.

Ricordiamo che il confine visibile dell'Universo è chiamato Metagalassia. Si procede allo stato al momento del Big Bang (singolarità cosmologica). Le moderne disposizioni stabiliscono che i valori delle costanti fisiche sono omogenei (ovvero la velocità della luce, la carica elementare, ecc.). Si ritiene che la Metagalassia contenga 80 miliardi di galassie (anche una cifra sorprendente suona così: 10 sestilioni e 1 settilione di stelle). Forma, massa e dimensione: per l'Universo questi sono concetti completamente diversi da quelli accettati sulla Terra.

Cefeidi misteriose

Per suffragare la teoria che spiega l'espansione dell'Universo, sono stati necessari studi approfonditi a lungo termine, confronti e calcoli complessi. All'inizio degli anni Venti del XX secolo, il soldato di ieri riuscì finalmente a classificare le nebulose osservate separatamente dalla Via Lattea. Secondo la sua scoperta sono a spirale, ellittiche e irregolari (tre tipi).

Nella nebulosa a spirale più vicina, ma non la più vicina, Andromeda, Edwin individuò le Cefeidi (una classe di stelle pulsanti). La legge di Hubble è più vicina che mai alla sua formazione finale. L'astronomo ha calcolato la distanza di questi fari e la dimensione del più grande. Secondo le sue conclusioni, Andromeda contiene circa un trilione di stelle (2,5-5 volte più grandi della Via Lattea).

Costante

Alcuni scienziati, spiegando la natura delle Cefeidi, le paragonano a palline di gomma gonfiabili. Aumentano o diminuiscono, a volte si avvicinano, a volte si allontanano. In questo caso la velocità radiale oscilla. Quando vengono compressi, la temperatura dei “viaggiatori” aumenta (anche se la superficie diminuisce). Le stelle pulsanti sono un pendolo insolito che, prima o poi, si fermerà.

Come altre nebulose, Andromeda è caratterizzata dagli scienziati come un'isola dello spazio universale, che ricorda la nostra galassia. Nel 1929 Edwin scoprì: le velocità radiali delle galassie e le loro distanze sono correlate e linearmente dipendenti. È stato determinato un coefficiente, espresso in km/s per megaparsec, la cosiddetta costante di Hubble. Man mano che l'Universo si espande, i cambiamenti costanti. Ma in un momento specifico, in ogni punto del sistema dell'universo, è la stessa cosa. Nel 2016 - 66,93 ± 0,62 (km/s)/Mpc.

Le idee sul sistema dell'universo che continua la sua evoluzione e si espande hanno quindi ricevuto una base osservativa. Il processo fu studiato attivamente dagli astronomi fino all'inizio della seconda guerra mondiale. Nel 1942 diresse il dipartimento di balistica esterna presso l'Aberdeen Proving Ground (USA). Un seguace della scienza forse più misteriosa del mondo ha sognato questo? No, voleva “decifrare” le leggi degli angoli nascosti di galassie lontane! Per quanto riguarda le sue opinioni politiche, l'astronomo condannò apertamente il leader del Terzo Reich, Adolf Hitler. Alla fine della sua vita, Hubble divenne noto come un potente oppositore dell'uso delle armi di distruzione di massa. Ma torniamo alle nebulose.

Grande Edwin

Molte costanti astronomiche vengono modificate nel tempo e compaiono nuove scoperte. Ma tutti non possono essere paragonati alla Legge di Espansione dell'Universo. Il famoso astronomo del XX secolo Hubble (non aveva eguali dai tempi di Copernico!) è paragonato al fondatore della fisica sperimentale, Galileo Galilei, e autore dell'innovativa conclusione sull'esistenza dei sistemi stellari , William Herschel.

Ancor prima che la legge di Hubble fosse scoperta, il suo autore divenne membro dell'Accademia Nazionale delle Scienze degli Stati Uniti d'America, successivamente di accademie in diversi paesi, e ha ricevuto numerosi premi. Molte persone probabilmente hanno sentito dire che più di dieci anni fa il telescopio spaziale Hubble è stato lanciato in orbita e funziona con successo. Questo nome è dato ad uno dei piccoli pianeti che ruotano tra le orbite di Marte e Giove (asteroide).

Non sarebbe del tutto giusto affermare che l'astronomo sognava solo di perpetuare il suo nome, ma ci sono prove indirette che Edwin amasse attirare l'attenzione. Ci sono foto di lui che posa allegramente accanto alle star del cinema. Di seguito parleremo dei suoi tentativi di "aggiustare" i suoi risultati a livello di laurea, ed entrare così nella storia della cosmologia.

Metodo Henrietta Leavitt

Il famoso astrofisico britannico scrisse nel suo libro A Brief History of Time che “la scoperta che l’Universo si sta espandendo è stata la più grande rivoluzione intellettuale del 20° secolo”. Hubble ha avuto la fortuna di trovarsi nel posto giusto al momento giusto. L'Osservatorio di Mount Wilson fu il centro del lavoro osservativo alla base della nuova astrofisica (in seguito chiamata cosmologia). Il telescopio più potente della Terra, il telescopio Hooker, era appena diventato operativo.

Ma la costante di Hubble difficilmente è stata scoperta solo per fortuna. Erano necessarie pazienza, perseveranza e capacità di sconfiggere i rivali scientifici. Così l'astronomo americano Harlow Shapley propose il suo modello della Galassia. Era già conosciuto come lo scienziato che determinò le dimensioni della Via Lattea. Fece ampio uso del metodo della distanza delle Cefeidi, utilizzando una tecnica compilata nel 1908 da Henrietta Swan Leavitt. Ha stabilito la distanza da un oggetto sulla base di variazioni standard della luce proveniente da stelle luminose (variabili Cefeidi).

Non polvere e gas, ma altre galassie

Harlow Shapley credeva che la galassia fosse larga 300.000 anni luce (circa dieci volte più larga del normale). Tuttavia, Shapley, come la maggior parte degli astronomi dell'epoca, era sicuro: la Via Lattea è l'intero Universo. Nonostante l'ipotesi formulata per la prima volta da William Herschel nel XVIII secolo, egli condivideva la convinzione comune che tutte le nebulose per oggetti relativamente vicini siano solo macchie di polvere e gas nel cielo.

Quante notti fredde e amare trascorse Hubble seduto al potente telescopio Hooker prima di poter dimostrare che Shapley si sbagliava. Nell'ottobre del 1923, Edwin notò un oggetto "brillato" nella nebulosa M31 (costellazione di Andromeda) e suggerì che non appartenesse alla Via Lattea. Dopo aver studiato attentamente le lastre fotografiche che mostravano la stessa area precedentemente studiata da altri astronomi, tra cui Shapley, Edwin capì che si trattava di una Cefeide.

Spazio scoperto

Hubble ha utilizzato il metodo Shapley per misurare la distanza dalla stella variabile. Si è scoperto che si trova a milioni di anni luce dalla Terra, che è ben oltre la Via Lattea. La galassia stessa contiene milioni di stelle. L'Universo Conosciuto si espanse notevolmente nello stesso giorno e, in un certo senso, fu scoperto il Cosmo stesso!

Il New York Times ha scritto: "Le nebulose a spirale scoperte sono sistemi stellari. Il dottor Hubbel (sic) conferma l'opinione che sono come 'universi-isole' simili al nostro." La scoperta fu significativa per il mondo astronomico, ma il momento più importante per Hubble doveva ancora arrivare.

Nessuna statica

Come abbiamo detto, la vittoria arrivò a Copernico n. 2 nel 1929, quando classificò tutte le nebulose conosciute e misurò le loro velocità dagli spettri della luce emessa. La sua sorprendente scoperta che tutte le galassie si stanno ritirando da noi a velocità che aumentano in proporzione alla loro distanza dalla Via Lattea ha scioccato il mondo. La Legge di Hubble ha abolito l'idea tradizionale di un Universo statico e ha dimostrato che esso stesso è pieno di dinamiche. Lo stesso Einstein chinò la testa davanti a tali sorprendenti capacità di osservazione.

L'autore della teoria della relatività ha corretto le proprie equazioni, che ha utilizzato per giustificare l'espansione dell'Universo. Ora Hubble ha dimostrato che Einstein aveva ragione. Il tempo di Hubble è il reciproco della costante di Hubble (t H = 1/H). Questo è il momento caratteristico dell'espansione dell'Universo nel momento attuale.

Esploso e disperso

Se la costante nel 2016 è pari a 66,93 ± 0,62 (km/s)/Mpc, allora l’espansione è attualmente caratterizzata dai seguenti valori: (4,61 ± 0,05) 10 17 s o (14,610 ± 0,016) 10 9 anni. E ancora un po' di umorismo. Gli ottimisti dicono: è positivo che le galassie si “disperdano”. Se immaginiamo che si avvicinino, prima o poi si verificherebbe un Big Bang. Ma fu con lui che iniziò la nascita dell'Universo.

Le galassie “si precipitarono” (iniziarono a muoversi) in direzioni diverse contemporaneamente. Se la velocità di allontanamento non fosse proporzionale alla distanza, la teoria dell'esplosione non avrebbe senso. Un'altra costante derivata è la distanza di Hubble, il prodotto del tempo per la velocità della luce: DH = ct H = c/H. Al momento attuale - (1.382 ± 0,015) 10 26 mo (14.610 ± 0,016) 10 9 anni luce.

E ancora del pallone gonfiabile. C'è un'opinione secondo cui anche gli astronomi non sempre interpretano correttamente l'espansione dell'Universo. Alcuni esperti ritengono che si gonfia come una palla di gomma, senza conoscere alcuna limitazione fisica. Allo stesso tempo, le galassie stesse non solo si allontanano da noi, ma anche “corrono caoticamente” all'interno di ammassi stazionari. Altri sostengono che le galassie lontane “fluttuano via” come frammenti del Big Bang, ma lo fanno con calma.

Avrebbe potuto diventare un premio Nobel

Hubble ha cercato di vincere il Premio Nobel. Alla fine degli anni Quaranta assunse persino un agente pubblicitario (ora sarebbe stato chiamato PR manager) per promuovere l'attività. Ma gli sforzi furono vani: non esisteva alcuna categoria per gli astronomi. Edwin morì nel 1953 durante una ricerca scientifica. Per diverse notti osservò oggetti extragalattici.

Il suo ultimo sogno ambizioso è rimasto insoddisfatto. Ma lo scienziato probabilmente sarebbe felice che un telescopio spaziale portasse il suo nome. E generazioni di fratelli in mente continuano ad esplorare lo spazio vasto e meraviglioso. Contiene ancora molti misteri. Quante scoperte ci attendono! E le costanti di Hubble derivate aiuteranno sicuramente uno dei giovani scienziati a diventare “Copernico n. 3”.

Sfidare Aristotele

Cosa sarà dimostrato o smentito, come quando la teoria dell'infinito, dell'eternità e dell'immutabilità dello spazio attorno alla Terra, sostenuta dallo stesso Aristotele, andò in pezzi? Attribuiva simmetria e perfezione all'Universo. Confermato il principio cosmologico: tutto scorre, tutto cambia.

Si ritiene che tra miliardi di anni i cieli saranno vuoti e bui. L’espansione “trasporterà” le galassie oltre l’orizzonte cosmico, da dove la luce non potrà raggiungerci. La costante di Hubble sarà rilevante per un Universo vuoto? Cosa accadrà alla scienza della cosmologia? Scomparirà? Tutto questo è speculazione.

Spostamento verso il rosso

Nel frattempo il telescopio Hubble ha scattato una foto che mostra che siamo ancora lontani dal vuoto universale. Negli ambienti professionali si ritiene che la scoperta di Edwin Hubble sia preziosa, ma non la sua legge. Tuttavia, fu lui a essere riconosciuto quasi immediatamente negli ambienti scientifici dell'epoca. Le osservazioni dello “spostamento verso il rosso” non solo hanno conquistato il diritto di esistere, ma sono anche rilevanti nel 21° secolo.

E oggi, per determinare la distanza delle galassie, si affidano alla superscoperta degli scienziati. Gli ottimisti dicono: anche se la nostra galassia restasse l’unica, non ci “annoieremo”. Ci saranno miliardi di stelle e pianeti nani. Ciò significa che accanto a noi ci saranno ancora “mondi paralleli” che dovranno essere esplorati.

Ai grandi fisici del passato, I. Newton e A. Einstein, l'Universo sembrava statico. Il fisico sovietico A. Friedman nel 1924 elaborò la teoria della “dispersione” delle galassie. Friedman predisse l'espansione dell'Universo. Questa è stata una rivoluzione rivoluzionaria nella comprensione fisica del nostro mondo.

L'astronomo americano Edwin Hubble ha esplorato la nebulosa di Andromeda. Nel 1923 riuscì a vedere che i suoi dintorni erano costituiti da ammassi di singole stelle. Hubble calcolò la distanza della nebulosa. Si è scoperto che era di 900.000 anni luce (la distanza calcolata con maggiore precisione oggi è di 2,3 milioni di anni luce). Cioè, la nebulosa si trova ben oltre la Via Lattea, la nostra Galassia. Dopo aver osservato questa e altre nebulose, Hubble giunse ad una conclusione sulla struttura dell'Universo.

L'universo è costituito da un insieme di enormi ammassi stellari: galassie.

Sono loro che ci appaiono come lontane "nuvole" nebbiose nel cielo, poiché semplicemente non possiamo vedere le singole stelle a una distanza così grande.

E. Hubble ha notato nei dati ottenuti un aspetto importante, che gli astronomi avevano già osservato in precedenza, ma di difficile interpretazione. Vale a dire: la lunghezza osservata delle onde luminose spettrali emesse da atomi di galassie distanti è leggermente maggiore della lunghezza delle onde spettrali emesse dagli stessi atomi nei laboratori terrestri. Cioè, nello spettro di radiazione delle galassie vicine, il quanto di luce emesso da un atomo quando un elettrone salta da un'orbita all'altra viene spostato in frequenza verso la parte rossa dello spettro rispetto a un quanto simile emesso dallo stesso atomo sulla Terra . Hubble si è preso la libertà di interpretare questa osservazione come una manifestazione dell'effetto Doppler.

Tutte le galassie vicine osservate si stanno allontanando dalla Terra, poiché quasi tutti gli oggetti galattici al di fuori della Via Lattea mostrano uno spostamento spettrale verso il rosso proporzionale alla velocità della loro rimozione.

Ancora più importante, Hubble è stato in grado di confrontare i risultati delle sue misurazioni delle distanze delle galassie vicine con le misurazioni dei loro tassi di recessione (basati sul redshift).

Matematicamente la legge è formulata in modo molto semplice:

dove v è la velocità con cui la galassia si allontana da noi,

r – distanza da esso,

H è la costante di Hubble.

E sebbene Hubble sia arrivato inizialmente a questa legge osservando solo alcune galassie più vicine a noi, nessuna delle tante nuove galassie dell’Universo visibile che sono state scoperte da allora, sempre più lontane dalla Via Lattea, cade al di fuori della portata di questa legge.

Quindi, la conseguenza principale della legge di Hubble:

L'universo si sta espandendo.

Il tessuto stesso dello spazio mondiale si sta espandendo. Tutti gli osservatori (e tu ed io non facciamo eccezione) si considerano al centro dell'Universo.

4. La teoria del Big Bang

Dal fatto sperimentale della recessione delle galassie è stata stimata l'età dell'Universo. Si è rivelato uguale: circa 15 miliardi di anni! Iniziò così l’era della cosmologia moderna.

La domanda sorge spontanea: cosa è successo all’inizio? Gli scienziati hanno impiegato solo circa 20 anni per rivoluzionare completamente la loro comprensione dell’Universo.

La risposta fu proposta dall'eccezionale fisico G. Gamow (1904-1968) negli anni '40. La storia del nostro mondo è iniziata con il Big Bang. Questo è esattamente ciò che pensa oggi la maggior parte degli astrofisici.

Il Big Bang è un rapido calo della densità, della temperatura e della pressione inizialmente enormi della materia concentrata in un volume molto piccolo dell'Universo. Tutta la materia dell'Universo era compressa in un denso ammasso di protomateria, contenuto in un volume molto piccolo rispetto alla scala attuale dell'Universo.

L'idea dell'Universo, nato da un ammasso super denso di materia super calda e da allora in espansione e raffreddamento, è chiamata teoria del Big Bang.

Oggi non esiste modello cosmologico più efficace dell'origine e dell'evoluzione dell'Universo.

Secondo la teoria del Big Bang, l’Universo primordiale era costituito da fotoni, elettroni e altre particelle. I fotoni interagivano costantemente con altre particelle. Man mano che l'Universo si espandeva, si raffreddava e, a un certo punto, gli elettroni iniziarono a combinarsi con i nuclei di idrogeno ed elio e a formare atomi. Ciò è avvenuto ad una temperatura di circa 3000 K e ad un'età approssimativa dell'Universo di 400.000 anni. Da questo momento in poi i fotoni poterono muoversi liberamente nello spazio, praticamente senza interagire con la materia. Ma ci restano i "testimoni" di quell'epoca: questi sono fotoni relitti. Si ritiene che la radiazione cosmica di fondo a microonde sia stata preservata dalle fasi iniziali dell'esistenza dell'Universo e la riempia uniformemente. Come risultato di un ulteriore raffreddamento della radiazione, la sua temperatura è diminuita e ora è di circa 3 K.

L'esistenza della radiazione cosmica di fondo a microonde è stata prevista teoricamente nell'ambito della teoria del Big Bang. È considerata una delle principali conferme della teoria del Big Bang.

Attualmente, secondo le osservazioni astronomiche, è stato stabilito che L’universo è omogeneo su larga scala, cioè. tutte le sue regioni di dimensioni pari o superiori a 300 milioni di anni luce sembrano identiche. Su scala più piccola, ci sono regioni dell'Universo dove si trovano ammassi di galassie e, al contrario, vuoti dove ce ne sono poche.

Una galassia è un sistema di stelle che hanno un'origine comune e sono collegate da forze gravitazionali. La galassia in cui si trova il nostro Sole è la Via Lattea

Le distanze dei corpi celesti in astronomia vengono determinate in modo diverso a seconda che questi oggetti siano vicini o lontani dal nostro pianeta. Nello spazio, le seguenti unità sono comunemente usate per misurare le distanze:

1 a.u.( unità astronomica) = (149597870 2) km;

1 pc ( parsec) = 206265 a.u. = 3.086·10 m;

1° anno ( anno luce) = 0,307 pc = 9,5·10 m Un anno luce è il percorso percorso dalla luce in un anno.

Questo articolo propone un metodo per determinare le distanze di galassie distanti utilizzando il “redshift”, cioè aumentando le lunghezze d'onda nello spettro della sorgente di radiazione distante osservata rispetto alle corrispondenti lunghezze d'onda delle linee negli spettri standard.

La sorgente luminosa si riferisce alla radiazione proveniente da galassie distanti (le stelle più luminose o le nebulose di gas e polvere in esse contenute). Sotto " spostamento verso il rosso" - uno spostamento delle linee spettrali negli spettri degli elementi chimici che compongono questi oggetti verso il lato a lunga lunghezza d'onda (rosso), rispetto alle lunghezze d'onda negli spettri degli elementi standard sulla Terra. Lo "spostamento verso il rosso" è causato dall'effetto Doppler.

effetto Dopplerè che la radiazione inviata da una sorgente che si allontana da un ricevitore stazionario verrà ricevuta da quest'ultimo con una lunghezza d'onda maggiore, rispetto alla radiazione proveniente dalla stessa sorgente stazionaria. Se la sorgente si avvicina al ricevitore, la lunghezza d'onda del segnale registrato, al contrario, diminuirà.

Nel 1924, il fisico sovietico Alexander Friedman predisse che l’Universo si stava espandendo. I dati attualmente disponibili mostrano che l'evoluzione dell'Universo è iniziata da questo momento Big Bang. Circa 15 miliardi di anni fa, l’Universo era un punto (si chiama punto di singolarità), al quale, a causa della forte gravità in esso contenuta, della temperatura e della densità molto elevate, non si applicano le leggi della fisica conosciute. Secondo il modello attualmente accettato, l'Universo ha iniziato a gonfiarsi dal punto di singolarità con crescente accelerazione.

Nel 1926 furono ottenute prove sperimentali dell'espansione dell'Universo. L'astronomo americano E. Hubble, mentre studiava gli spettri di galassie lontane usando un telescopio, scoprì lo spostamento verso il rosso delle linee spettrali. Ciò significava che le galassie si stavano allontanando l’una dall’altra, e ad una velocità che aumentava con la distanza. Hubble ha costruito una relazione lineare tra distanza e velocità associata all'effetto Doppler ( Legge di Hubble):

(1) , Dove

R– distanza tra le galassie;

v- velocità di allontanamento delle galassie;

N– Costante di Hubble. Senso N dipende dal tempo trascorso dall'inizio dell'espansione dell'Universo al momento attuale, e varia nell'intervallo da 50 a 100 km/s·Mpc. In astrofisica, di regola, viene utilizzato H = 75 km/s·Mpc. L'accuratezza nel determinare la costante di Hubble lo è

0,5 km/s Mpc;

Con– velocità della luce nel vuoto;

Z– spostamento verso il rosso della lunghezza d'onda, il cosiddetto. fattore cosmologico.

(2) , Dove

– lunghezza d'onda della radiazione ricevuta dal ricevitore;

– lunghezza d'onda della radiazione emessa dall'oggetto.

Pertanto, misurando l'entità dello spostamento delle linee, ad esempio dell'idrogeno ionizzato (H+) nella parte visibile dello spettro, è possibile per una galassia osservata dalla Terra determinare il suo spostamento verso il rosso utilizzando la formula (2) Z e, utilizzando la legge di Hubble (1), calcola la distanza o la velocità della sua rimozione:

Ordine di lavoro

1. Chiama il programma "Determinazione delle distanze dalle galassie" sul desktop del computer. Sullo schermo del monitor apparirà un'area dell'Universo con nove diverse galassie osservate dalla superficie della Terra. Nella parte superiore dello schermo vengono visualizzati uno spettro di luce visibile e un indicatore della lunghezza d'onda per l'idrogeno ionizzato H+.

2. Posiziona il cursore sulla galassia indicata dall'insegnante e clicca sulla chiave.

3. Registrare la lunghezza d'onda e λ emessi da questa galassia mentre si allontana.

Consideriamo due galassie situate a distanza l l'uno dall'altro e si allontanano velocemente l'uno dall'altro V. Qual è il valore dello spostamento verso il rosso nello spettro della prima galassia, misurato da un osservatore situato sulla seconda?

Sembrerebbe che la risposta sia ovvia. Valore dello spostamento verso il rosso zè uguale a:

Tuttavia, questa grandezza di spostamento verso il rosso sarebbe quella prevista in un Universo stazionario. Ma il nostro Universo si sta espandendo! Può il fatto stesso dell’espansione dell’Universo influenzare il valore dello spostamento verso il rosso?

Cambiamo la condizione del problema. Supponiamo ora che le galassie siano a una distanza fissa l l'uno dall'altro (ad esempio, ruotano lentamente attorno a un centro di massa comune). Un osservatore situato in una galassia rileverà uno spostamento verso il rosso nello spettro di un'altra galassia dovuto al fatto che l'Universo si sta espandendo?

Quando l'Universo si espande, vince l'attrazione gravitazionale tra le sue parti. Pertanto, man mano che l’Universo si espande, la sua velocità di espansione diminuisce. Un fotone, spostandosi da una galassia all'altra, proprio come qualsiasi oggetto all'interno dell'Universo, interagisce gravitazionalmente con la materia in espansione e, quindi, “rallenta” l'espansione dell'Universo. Pertanto, l'energia di un fotone che si muove in un Universo in espansione deve diminuire. Facciamo stime quantitative.

Quando un fotone lasciava una galassia, il potenziale gravitazionale all'interno dell'Universo, creato da tutta la materia dell'Universo, era uguale a F 1. Quando il fotone arrivò alla seconda galassia, il potenziale gravitazionale all'interno dell'Universo aumentò a causa dell'espansione dell'Universo e divenne uguale a Ф 2 > Ф 1 (allo stesso tempo | 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.

Pertanto, il valore dello spostamento verso il rosso nello spettro di emissione di una galassia che si allontana da noi sarà composto da due parti. La prima parte, causata direttamente dalla velocità con cui le galassie si allontanano, è il cosiddetto effetto Doppler. Il suo valore è:

La seconda parte è causata dal fatto che l'Universo si sta espandendo, e quindi il potenziale gravitazionale al suo interno aumenta. Questo è il cosiddetto spostamento verso il rosso gravitazionale. Il suo valore è:

(8.9)

Qui Ф 1 è il potenziale gravitazionale dell'Universo nel punto di partenza del fotone, nel momento della sua partenza; Ф 2 – potenziale gravitazionale dell'Universo nel luogo di registrazione dei fotoni, al momento della sua registrazione.

Di conseguenza, il valore del redshift nello spettro di emissione della galassia che si allontana da noi sarà pari a:

(8.10)

E arriviamo ad una conclusione molto importante. Solo una parte dello spostamento verso il rosso cosmologico osservato negli spettri di emissione delle galassie distanti è causato direttamente dalla distanza di queste galassie da noi. L'altra parte dello spostamento verso il rosso è causata da un aumento del potenziale gravitazionale dell'Universo. Pertanto, la velocità con cui le galassie si allontanano da noi lo è meno, di quanto presupposto nella cosmologia moderna, e l'età dell'Universo, di conseguenza, Di più.

I calcoli eseguiti mostrano che se la densità dell'Universo è prossima al critico (questa conclusione è fatta sulla base dello studio della distribuzione su larga scala delle galassie), allora:

Cioè solo 2/3 del valore cosmologico del redshift z Lo 0 negli spettri delle galassie distanti (8.10) è causato dalla velocità con cui le galassie si allontanano. Di conseguenza, la costante di Hubble è 1,5 volte inferiore a quella ipotizzata nella cosmologia moderna e l'età dell'Universo, al contrario, è 1,5 volte maggiore.

Come viene risolta la questione dell'origine dello spostamento cosmologico verso il rosso nella teoria generale della relatività? Consideriamo due galassie che partecipano all'espansione cosmologica dell'Universo e le cui velocità peculiari sono così piccole da poter essere trascurate. Sia uguale la distanza tra le galassie nel momento in cui il fotone lascia la prima galassia l. Quando il fotone arriva alla seconda galassia, la distanza tra le galassie aumenterà e sarà uguale a l + l D. Nella teoria generale della relatività, l'interazione gravitazionale è completamente ridotta alla geometria. Secondo questa teoria la grandezza più importante che caratterizza l'Universo in espansione è il cosiddetto fattore di scala. Se si possono trascurare le velocità peculiari di due galassie distanti tra loro, allora il fattore di scala cambierà in proporzione al cambiamento della distanza tra queste galassie.

Secondo la teoria generale della relatività, la lunghezza d'onda l di un fotone che si muove nell'Universo in espansione cambia proporzionalmente al cambiamento del fattore di scala e lo spostamento verso il rosso, di conseguenza, è uguale a:

(8.12)

Se V– velocità delle galassie che si allontanano l’una dall’altra, T– tempo di volo del fotone, quindi:

Di conseguenza otteniamo:

Quindi, secondo la teoria della relatività generale, lo spostamento verso il rosso cosmologico non dipende né dalla densità dell’Universo né dalla velocità con cui cambia il potenziale gravitazionale dell’Universo, ma dipende soltanto sulla velocità relativa di recessione delle galassie. E se, ad esempio, il nostro Universo si espandesse alla stessa velocità di adesso, ma allo stesso tempo avesse una densità molte volte inferiore, allora, secondo la teoria della relatività generale, il valore dello spostamento verso il rosso cosmologico nell'emissione sarebbero gli spettri delle galassie lo stesso. Si scopre che l'esistenza di enormi masse all'interno dell'Universo, che frenano l'espansione dell'Universo, non influisce in alcun modo sull'energia dei fotoni in movimento! Ciò sembra improbabile.

Forse è per questo che sono sorti seri problemi quando si cercava di spiegare, nell'ambito della teoria della relatività generale, la dipendenza degli spostamenti verso il rosso negli spettri di supernove molto distanti dalla loro distanza. E per “salvare” la teoria generale della relatività, alla fine del XX secolo, i cosmologi avanzano il presupposto che il nostro Universo si stia espandendo non con decelerazione, ma, al contrario, con accelerazione, contrariamente alla legge dell'universale gravitazione (questo argomento è discusso in).

Qui non discuteremo l'ipotesi dell'espansione accelerata dell'Universo (anche se, nella mia profonda convinzione, non solo la teoria della relatività generale, ma nessun'altra teoria merita di essere salvata con l'aiuto di tali ipotesi), ma proveremo invece trasferire questo problema dal campo della fisica teorica a quello della sperimentazione. In effetti, perché condurre dibattiti teorici sull’origine dello spostamento verso il rosso cosmologico se è possibile ottenere la risposta a questa domanda in un laboratorio di fisica?

Formuliamo ancora una volta questa importante domanda. Esiste uno spostamento verso il rosso cosmologico causato non dall'effetto Doppler delle galassie che si allontanano, ma dal fatto che quando un fotone si muove, il potenziale gravitazionale dell'Universo aumenta?

Per rispondere a questa domanda è sufficiente effettuare il seguente esperimento (vedi Fig. 33).

Il raggio laser viene diviso in due raggi in modo che un raggio colpisca immediatamente il rilevatore e il secondo raggio si muova prima per un po 'tra due specchi paralleli e solo successivamente colpisca il rilevatore. Pertanto, il secondo raggio colpisce il rilevatore con un ritardo t (diversi minuti). E il rilevatore confronta le lunghezze d'onda di due raggi emessi in momenti temporali T-ti T. Dovrebbe essere previsto un cambiamento nella lunghezza d'onda del secondo raggio rispetto al primo a causa dell'aumento del potenziale gravitazionale dell'Universo causato dalla sua espansione.

Questo esperimento è discusso in dettaglio in, quindi ora considereremo solo le principali conclusioni che si possono trarre dopo la sua esecuzione.

Riso. 33. Diagramma schematico di un esperimento per misurare lo spostamento verso il rosso cosmologico causato non dall'effetto Doppler, ma variazione del potenziale gravitazionale all'interno dell'Universo.

Il raggio laser viene diretto su uno specchio traslucido. In questo caso una parte del raggio attraversa lo specchio e colpisce il rilevatore lungo il percorso più breve. E la seconda parte del raggio, riflessa dallo specchio e passando attraverso il sistema di specchi 1, 2, 3, colpisce il rilevatore con un certo ritardo. Di conseguenza, il rilevatore confronta le lunghezze d'onda di due raggi emessi in momenti diversi.

In primo luogo, potremo scoprire se esiste o meno uno spostamento verso il rosso cosmologico causato non dalla velocità di allontanamento della sorgente, ma dal fatto stesso dell'espansione dell'Universo, cioè dall'aumento del potenziale gravitazionale all'interno l'universo.

In secondo luogo, se viene rilevato un tale spostamento (e vi sono tutte le ragioni per ciò), allora, in tal modo, Attraverso un esperimento di laboratorio, dimostreremo il fatto stesso dell'espansione dell'Universo. Inoltre, saremo in grado di misurare la velocità con cui aumenta il potenziale gravitazionale creato da tutta la materia nell’Universo.

In terzo luogo, sottraendo dal valore dello spostamento verso il rosso negli spettri delle galassie lontane quella parte che è causata non dalla velocità della loro rimozione, ma da una variazione del potenziale gravitazionale, troviamo VERO la velocità con cui le galassie si stanno allontanando, e quindi essere in grado di correggere l’attuale stima dell’età dell’Universo.