Jei kas nors mano, kad žodis „pabėgti“ turi grynai sportinį ar daugiausia „nesantuokinį“ pobūdį, tai klysta. Yra daug įdomesnių interpretacijų. Pavyzdžiui, kosmologinis Hablo dėsnis rodo, kad... galaktikos išsisklaido!

Trijų tipų ūkai

Įsivaizduokite: juodoje didžiulėje beorėje erdvėje žvaigždžių sistemos tyliai ir lėtai tolsta viena nuo kitos: „Atsisveikink! Viso gero! Iki pasimatymo!". Galbūt palikime nuošalyje „lyrinius nukrypimus“ ir atsigręžkime į mokslinę informaciją. 1929 m. įtakingiausias XX amžiaus astronomas, amerikiečių mokslininkas Edwinas Powellas Hablas (1889–1953), padarė išvadą, kad Visata nuolat plečiasi.

Žmogus, visą savo gyvenimą paskyręs kosmoso struktūrai atskleisti, gimė Marshfielde. Nuo mažens domėjosi astronomija, nors galiausiai tapo diplomuotu teisininku. Baigęs Kembridžo universitetą, Edvinas dirbo Čikagoje Jorko observatorijoje. Kovojo Pirmajame pasauliniame kare (1914–1918). Metai fronte tik atitolino atradimą. Šiandien visas mokslo pasaulis žino, kas yra Hablo konstanta.

Kelyje į atradimą

Iš fronto grįžęs mokslininkas atkreipė dėmesį į aukštumoje esančią Vilsono kalno observatoriją (Kalifornija). Ten jis buvo įdarbintas. Įsimylėjęs astronomiją jaunuolis daug laiko praleido žiūrėdamas pro didžiulių 60 ir 100 colių teleskopų lęšius. Tam laikui – didžiausias, beveik fantastiškas! Išradėjai prie įrenginių dirbo beveik dešimtmetį, siekdami kuo didesnio vaizdo padidinimo ir aiškumo.

Prisiminkime, kad matoma Visatos riba vadinama metagalaktika. Jis pereina į būseną Didžiojo sprogimo metu (kosmologinis singuliarumas). Šiuolaikinės nuostatos teigia, kad fizikinių konstantų reikšmės yra vienalytės (tai reiškia šviesos greitį, elementarųjį krūvį ir kt.). Manoma, kad metagalaktikoje yra 80 milijardų galaktikų (nuostabus skaičius skamba ir taip: 10 sekstilijonų ir 1 septilijonas žvaigždžių). Forma, masė ir dydis – Visatai tai visiškai kitokios sąvokos nei priimtos Žemėje.

Paslaptingos cefeidos

Norint pagrįsti teoriją, paaiškinančią Visatos plėtimąsi, reikėjo ilgalaikių giluminių tyrimų, sudėtingų palyginimų ir skaičiavimų. XX amžiaus pradžioje vakarykštis kareivis pagaliau sugebėjo klasifikuoti ūkus, pastebėtus atskirai nuo Paukščių Tako. Pagal jo atradimą, jie yra spiraliniai, elipsiniai ir netaisyklingi (trys tipai).

Artimiausiame, bet ne artimiausiame spiraliniame ūke, Andromedoje, Edvinas pastebėjo cefeidus (pulsuojančių žvaigždžių klasę). Hablo dėsnis tapo arčiau nei bet kada iki galo. Astronomas apskaičiavo atstumą iki šių švyturių ir didžiausių jų dydį. Remiantis jo išvadomis, Andromedoje yra maždaug trilijonas žvaigždžių (2,5–5 kartus didesnės nei Paukščių Tako).

Pastovus

Kai kurie mokslininkai, aiškindami cefeidų prigimtį, lygina jas su pripučiamais guminiais kamuoliukais. Jie arba didėja, arba mažėja, kartais priartėja, kartais tolsta. Radialinis greitis šiuo atveju svyruoja. Suspaudus „keliautojų“ temperatūra pakyla (nors paviršiaus plotas mažėja). Pulsuojančios žvaigždės yra neįprasta švytuoklė, kuri anksčiau ar vėliau sustos.

Kaip ir kitus ūkus, Andromedą mokslininkai apibūdina kaip salą, universalią erdvę, primenančią mūsų galaktiką. 1929 m. Edvinas atrado: galaktikų radialiniai greičiai ir jų atstumai yra tarpusavyje susiję ir tiesiškai priklausomi. Buvo nustatytas koeficientas, išreikštas km/s per megaparseką, vadinamoji Hablo konstanta. Visatai plečiantis, nuolat keičiasi. Tačiau konkrečiu momentu, visuose visatos sistemos taškuose, tai yra vienoda. 2016 metais - 66,93 ± 0,62 (km/s)/Mpc.

Idėjos apie visatos sistemą, kuri tęsia savo evoliuciją ir plečiasi, tada gavo stebėjimo pagrindą. Šį procesą astronomai aktyviai tyrinėjo iki pat Antrojo pasaulinio karo pradžios. 1942 m. jis vadovavo Išorės balistikos skyriui Aberdyno bandymų poligone (JAV). Ar apie tai svajojo bene paslaptingiausio mokslo pasaulyje pasekėjas? Ne, jis norėjo „iššifruoti“ paslėptų tolimų galaktikų kampelių dėsnius! Kalbant apie savo politines pažiūras, astronomas atvirai pasmerkė Trečiojo Reicho lyderį Adolfą Hitlerį. Gyvenimo pabaigoje Hablas tapo žinomas kaip galingas masinio naikinimo ginklų naudojimo priešininkas. Bet grįžkime prie ūkų.

Puikus Edvinas

Daugelis astronominių konstantų laikui bėgant koreguojamos ir atsiranda naujų atradimų. Tačiau visų jų negalima lyginti su Visatos plėtimosi dėsniu. Garsusis XX amžiaus astronomas Hablas (nuo Koperniko laikų neturėjo sau lygių!) prilyginamas eksperimentinės fizikos pradininkui Galileo Galilei ir naujoviškos išvados apie žvaigždžių sistemų egzistavimą autoriui. , Williamas Herschelis.

Dar prieš Hablo dėsnio atradimą jo autorius tapo Jungtinių Amerikos Valstijų Nacionalinės mokslų akademijos, vėliau – įvairių šalių akademijų nariu, turi daug apdovanojimų. Daugelis tikriausiai girdėjo, kad daugiau nei prieš dešimt metų Hablo kosminis teleskopas buvo paleistas į orbitą ir sėkmingai veikia. Šis pavadinimas suteiktas vienai iš mažų planetų, besisukančių tarp Marso ir Jupiterio (asteroido) orbitų.

Nebūtų visiškai teisinga sakyti, kad astronomas tik svajojo įamžinti savo vardą, tačiau yra netiesioginių įrodymų, kad Edvinas mėgo patraukti dėmesį. Yra nuotraukų, kuriose jis linksmai pozuoja šalia kino žvaigždžių. Žemiau kalbėsime apie jo bandymus „pataisyti“ savo pasiekimą laureato lygmeniu ir taip patekti į kosmologijos istoriją.

Henrietta Leavitt metodas

Garsus britų astrofizikas savo knygoje „Trumpa laiko istorija“ rašė, kad „atradimas, kad Visata plečiasi, buvo didžiausia XX amžiaus intelektualinė revoliucija“. Hablai pasisekė būti tinkamoje vietoje tinkamu laiku. Vilsono kalno observatorija buvo stebėjimo darbų, kuriais grindžiama nauja astrofizika (vėliau vadinama kosmologija), centras. Ką tik pradėjo veikti galingiausias teleskopas Žemėje – Hooker teleskopas.

Tačiau Hablo konstanta vargu ar buvo atrasta vien dėl sėkmės. Reikėjo kantrybės, užsispyrimo ir sugebėjimo nugalėti mokslinius varžovus. Taip amerikiečių astronomas Harlow Shapley pasiūlė savo Galaktikos modelį. Jis jau buvo žinomas kaip mokslininkas, nustatęs Paukščių Tako dydį. Jis plačiai taikė cefeidų atstumo metodą, naudodamas techniką, kurią 1908 m. sukūrė Henrietta Swan Leavitt. Jis nustatė atstumą iki objekto, pagrįstą standartiniais ryškių žvaigždžių šviesos svyravimais (cefeidų kintamieji).

Ne dulkės ir dujos, o kitos galaktikos

Harlow Shapley manė, kad galaktika yra 300 000 šviesmečių pločio (apie dešimt kartų platesnė nei įprasta). Tačiau Shapley, kaip ir dauguma to meto astronomų, buvo tikras: Paukščių Takas yra visa Visata. Nepaisant prielaidos, kurią pirmą kartą padarė Williamas Herschelis XVIII amžiuje, jis bendrai tikėjo, kad visi santykinai arti esančių objektų ūkai yra tik dulkių ir dujų dėmės danguje.

Kiek karštų ir šaltų naktų Hablas praleido sėdėdamas prie galingo Hukerio teleskopo, kad įrodytų, kad Shapley klysta. 1923 m. spalį Edvinas M31 ūke (Andromedos žvaigždyne) pastebėjo „užliepsnojusį“ objektą ir pasiūlė, kad jis nepriklauso Paukščių Takui. Atidžiai išstudijavęs fotografines plokšteles, kuriose buvo ta pati sritis, kurią anksčiau tyrinėjo kiti astronomai, įskaitant Shapley, Edvinas suprato, kad tai cefeidas.

Atrasta erdvė

Hablas naudojo Shapley metodą, kad išmatuotų atstumą iki kintamos žvaigždės. Paaiškėjo, kad tai yra milijonai šviesmečių nuo Žemės, kuri yra toli už Paukščių Tako. Pačioje galaktikoje yra milijonai žvaigždžių. Žinoma Visata tą pačią dieną smarkiai išsiplėtė ir – tam tikra prasme – buvo atrastas pats Kosmosas!

„The New York Times“ rašė: „Aptikti spiraliniai ūkai yra žvaigždžių sistemos. Daktaras Hubbelis (sic) patvirtina nuomonę, kad jie yra tarsi „salų visatos“, panašios į mūsų pačių. Šis atradimas buvo reikšmingas astronominiam pasauliui, tačiau didžiausias Hablo momentas dar ateis.

Jokios statikos

Kaip sakėme, Kopernikas Nr. 2 pergalę pasiekė 1929 m., kai jis klasifikavo visus žinomus ūkus ir išmatavo jų greitį pagal skleidžiamos šviesos spektrus. Jo nuostabus atradimas, kad visos galaktikos traukiasi nuo mūsų greičiu, didėjančiu proporcingai jų atstumui nuo Paukščių Tako, sukrėtė pasaulį. Hablo dėsnis panaikino tradicinę statinės Visatos idėją ir parodė, kad ji pati kupina dinamikos. Pats Einšteinas nulenkė galvą prieš tokias nuostabias stebėjimo galias.

Reliatyvumo teorijos autorius pataisė savo lygtis, kuriomis pateisino Visatos plėtimąsi. Dabar Hablas parodė, kad Einšteinas buvo teisus. Hablo laikas yra Hablo konstantos (t H = 1/H) atvirkštinė vertė. Tai būdingas Visatos plėtimosi laikas dabartiniu momentu.

Sprogo ir išsibarstė

Jei 2016 metų konstanta lygi 66,93 ± 0,62 (km/s)/Mpc, tai plėtimasis šiuo metu apibūdinamas šiais skaičiais: (4,61 ± 0,05) 10 17 s arba (14,610 ± 0,016) 10 9 metų. Ir vėl šiek tiek humoro. Optimistai sako: gerai, kad galaktikos „išsibarsto“. Jei įsivaizduotume, kad jie artėja, anksčiau ar vėliau įvyks Didysis sprogimas. Tačiau būtent su juo prasidėjo Visatos gimimas.

Galaktikos vienu metu „skubėjo“ (pradėjo judėti) skirtingomis kryptimis. Jei pašalinimo greitis nebūtų proporcingas atstumui, sprogimo teorija yra beprasmė. Kita išvestinė konstanta yra Hablo atstumas – laiko ir šviesos greičio sandauga: D H = ct H = c/H. Dabartiniu momentu – (1,382 ± 0,015) 10 26 m arba (14,610 ± 0,016) 10 9 šviesmečiai.

Ir vėl apie pripučiamą kamuolį. Yra nuomonė, kad net astronomai ne visada teisingai interpretuoja Visatos plėtimąsi. Kai kurie ekspertai mano, kad jis išsipučia kaip guminis rutulys, nežinodamas jokių fizinių apribojimų. Tuo pačiu metu pačios galaktikos ne tik tolsta nuo mūsų, bet ir chaotiškai „skraido“ stacionarių spiečių viduje. Kiti teigia, kad tolimos galaktikos „išplaukia“ kaip Didžiojo sprogimo fragmentai, tačiau jie tai daro ramiai.

Galėjo tapti Nobelio premijos laureatu

Hablas bandė laimėti Nobelio premiją. 1940-ųjų pabaigoje jis netgi pasamdė reklamos agentą (dabar jis būtų vadinamas viešųjų ryšių vadybininku), kuris reklamuotų verslą. Tačiau pastangos buvo bergždžios: astronomams nebuvo kategorijos. Edvinas mirė 1953 m. mokslinių tyrimų metu. Kelias naktis jis stebėjo ekstragalaktinius objektus.

Paskutinė ambicinga jo svajonė liko neįgyvendinta. Tačiau mokslininkas tikriausiai apsidžiaugtų turėdamas jo vardu pavadintą kosminį teleskopą. Ir brolių kartos toliau tyrinėja didžiulę ir nuostabią erdvę. Jis vis dar slepia daug paslapčių. Kiek daug atradimų laukia! Ir išvestinės Hablo konstantos tikrai padės vienam iš jaunųjų mokslininkų tapti „Koperniku Nr. 3“.

Mesti iššūkį Aristoteliui

Kas bus įrodyta ar paneigta, kai sugriuvo Žemę supančios erdvės begalybės, amžinumo ir nekintamumo teorija, kuriai pritarė pats Aristotelis? Jis Visatai priskyrė simetriją ir tobulumą. Kosmologinis principas patvirtino: viskas teka, viskas keičiasi.

Manoma, kad po milijardų metų dangus bus tuščias ir tamsus. Išsiplėtimas „nuneš“ galaktikas už kosminio horizonto, iš kur šviesa mūsų nepasieks. Ar Hablo konstanta bus svarbi tuščiai Visatai? Kas atsitiks su kosmologijos mokslu? Ar ji išnyks? Visa tai yra spėlionės.

Raudonasis poslinkis

Tuo tarpu Hablo teleskopas padarė nuotrauką, kuri rodo, kad mums dar toli iki visuotinės tuštumos. Profesionaliuose sluoksniuose vyrauja nuomonė, kad Edvino Hablo atradimas yra vertingas, bet ne jo įstatymas. Tačiau būtent jis beveik iš karto buvo pripažintas to meto mokslo sluoksniuose. „Raudonosios pamainos“ stebėjimai ne tik iškovojo teisę egzistuoti, jie aktualūs ir XXI a.

Ir šiandien, nustatydami atstumą iki galaktikų, jie remiasi mokslininko superatradimu. Optimistai sako: net jei mūsų galaktika liks vienintelė, mums nebus „nuobodu“. Bus milijardai nykštukų žvaigždžių ir planetų. Tai reiškia, kad šalia mūsų vis tiek bus „lygiagrečių pasaulių“, kuriuos reikės tyrinėti.

Didiesiems praeities fizikams I. Newtonui ir A. Einšteinui Visata atrodė statiška. Sovietų fizikas A. Friedmanas 1924 metais pateikė galaktikų „išsklaidymo“ teoriją. Friedmanas numatė Visatos plėtimąsi. Tai buvo revoliucinė fizinio mūsų pasaulio supratimo revoliucija.

Amerikiečių astronomas Edvinas Hablas tyrinėjo Andromedos ūką. Iki 1923 m. jis galėjo pastebėti, kad jo pakraščiai buvo atskirų žvaigždžių sankaupos. Hablas apskaičiavo atstumą iki ūko. Paaiškėjo, kad tai 900 000 šviesmečių (šiandien tiksliau apskaičiuotas atstumas yra 2,3 mln. šviesmečių). Tai yra, ūkas yra toli už Paukščių Tako – Mūsų galaktikos. Stebėjęs šį ir kitus ūkus, Hablas padarė išvadą apie Visatos sandarą.

Visata susideda iš didžiulių žvaigždžių spiečių rinkinio - galaktikos.

Būtent jie mums atrodo kaip tolimi migloti „debesys“ danguje, nes mes tiesiog negalime pamatyti atskirų žvaigždžių tokiu didžiuliu atstumu.

E. Hablas gautuose duomenyse pastebėjo svarbų aspektą, kurį astronomai stebėjo ir anksčiau, tačiau sunkiai interpretuojamus. Būtent: stebimas spektrinių šviesos bangų, kurias skleidžia tolimų galaktikų atomai, ilgis yra šiek tiek didesnis nei spektrinių bangų, kurias skleidžia tie patys atomai antžeminėse laboratorijose. Tai reiškia, kad kaimyninių galaktikų spinduliuotės spektre šviesos kvantas, kurį skleidžia atomas, kai elektronas šokinėja iš orbitos į orbitą, pasislenka į raudonąją spektro dalį, palyginti su panašiu kvantu, kurį skleidžia tas pats atomas Žemėje. . Hablas pasinaudojo laisve interpretuoti šį stebėjimą kaip Doplerio efekto apraišką.

Visos stebimos kaimyninės galaktikos tolsta nuo Žemės, nes beveik visi galaktikos objektai, esantys už Paukščių Tako ribų, turi raudoną spektrinį poslinkį, proporcingą jų pašalinimo greičiui.

Svarbiausia, kad Hablas sugebėjo palyginti atstumų iki kaimyninių galaktikų matavimų rezultatus su jų nuosmukio rodikliais (remiantis raudonuoju poslinkiu).

Matematiškai įstatymas suformuluotas labai paprastai:

kur v yra greitis, kuriuo galaktika tolsta nuo mūsų,

r – atstumas iki jo,

H yra Hablo konstanta.

Ir nors Hablas iš pradžių priėjo prie šio dėsnio stebėdamas tik kelias arčiausiai mūsų esančias galaktikas, nė viena iš daugelio nuo to laiko atrastų naujų regimos Visatos galaktikų, vis labiau nutolusių nuo Paukščių Tako, nepatenka į šio įstatymo taikymo sritį.

Taigi, pagrindinė Hablo dėsnio pasekmė:

Visata plečiasi.

Pats pasaulio erdvės audinys plečiasi. Visi stebėtojai (ir jūs, ir aš nesame išimtis) laiko save Visatos centre.

4. Didžiojo sprogimo teorija

Pagal eksperimentinį galaktikų nuosmukio faktą buvo įvertintas Visatos amžius. Pasirodė lygus – apie 15 milijardų metų! Taip prasidėjo šiuolaikinės kosmologijos era.

Natūraliai kyla klausimas: kas nutiko pradžioje? Mokslininkams prireikė tik maždaug 20 metų, kad visiškai pakeistų savo supratimą apie Visatą.

Atsakymą 40-aisiais pasiūlė iškilus fizikas G. Gamow (1904 - 1968). Mūsų pasaulio istorija prasidėjo nuo Didžiojo sprogimo. Būtent taip šiandien galvoja dauguma astrofizikų.

Didysis sprogimas yra greitas iš pradžių milžiniško tankio, temperatūros ir medžiagos slėgio, susitelkusios labai mažame Visatos tūryje, kritimas. Visa visatos materija buvo suspausta į tankų pirminės medžiagos gabalėlį, esantį labai mažame tūryje, palyginti su dabartiniu Visatos mastu.

Visatos idėja, gimusi iš itin tankios itin karštos medžiagos gumulės ir nuo tada besiplečianti bei vėsstanti, vadinama Didžiojo sprogimo teorija.

Šiandien nėra sėkmingesnio kosmologinio Visatos atsiradimo ir evoliucijos modelio.

Remiantis Didžiojo sprogimo teorija, ankstyvoji Visata susideda iš fotonų, elektronų ir kitų dalelių. Fotonai nuolat sąveikavo su kitomis dalelėmis. Plečiantis Visatai ji atvėso ir tam tikrame etape elektronai pradėjo jungtis su vandenilio ir helio branduoliais ir formuoti atomus. Tai atsitiko maždaug 3000 K temperatūroje ir apytikslis Visatos amžius – 400 000 metų. Nuo šio momento fotonai galėjo laisvai judėti erdvėje, praktiškai nesąveikdami su materija. Bet mums liko tos eros „liudininkai“ – tai reliktiniai fotonai. Manoma, kad kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė buvo išsaugota nuo pradinių Visatos egzistavimo etapų ir užpildo ją tolygiai. Dėl tolesnio radiacijos aušinimo jos temperatūra sumažėjo ir dabar yra apie 3 K.

Kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės egzistavimas teoriškai buvo prognozuojamas Didžiojo sprogimo teorijos rėmuose. Tai laikoma vienu iš pagrindinių Didžiojo sprogimo teorijos patvirtinimų.

Šiuo metu, remiantis astronominiais stebėjimais, nustatyta, kad Visata dideliu mastu yra vienalytė, t.y. visi jo regionai nuo 300 milijonų šviesmečių ir daugiau atrodo vienodai. Mažesniu mastu Visatoje yra regionų, kuriuose randama galaktikų spiečių ir, atvirkščiai, tuštumų, kur jų mažai.

Galaktika yra žvaigždžių, turinčių bendrą kilmę ir sujungtų gravitacinių jėgų, sistema. Galaktika, kurioje yra mūsų Saulė, yra Paukščių Takas

Atstumai iki dangaus kūnų astronomijoje nustatomi skirtingai, priklausomai nuo to, ar šie objektai yra arti, ar toli nuo mūsų planetos. Kosmose atstumams matuoti dažniausiai naudojami šie vienetai:

1 a.u. ( astronominis vienetas) = (149597870 2) km;

1 vnt ( parsec) = 206265 a.u. = 3,086·10 m;

1 metai ( Šviesmetis) = 0,307 vnt = 9,5·10 m Šviesmetis yra kelias, kurį šviesa nukeliauja per metus.

Šiame darbe siūlomas atstumų iki tolimų galaktikų nustatymo metodas naudojant „raudonąjį poslinkį“, t.y. padidinant stebimo tolimo spinduliuotės šaltinio spektro bangos ilgius, lyginant su atitinkamais etaloninių spektrų linijų bangų ilgiais.

Šviesos šaltinis reiškia tolimų galaktikų (ryškiausių žvaigždžių arba jose esančių dujų ir dulkių ūkų) spinduliuotę. Pagal " raudonasis poslinkis“ – šiuos objektus sudarančių cheminių elementų spektrų spektrinių linijų poslinkis į ilgosios bangos (raudonąją) pusę, palyginti su standartinių Žemės elementų spektrų bangų ilgiais. „Raudonąjį poslinkį“ sukelia Doplerio efektas.

Doplerio efektas yra tai, kad spinduliuotę, kurią siunčia šaltinis, tolstantis nuo stacionaraus imtuvo, jis priims kaip ilgesnį bangos ilgį, palyginti su spinduliuote iš to paties stacionaraus šaltinio. Jei šaltinis artėja prie imtuvo, įrašyto signalo bangos ilgis, priešingai, sumažės.

1924 metais sovietų fizikas Aleksandras Fridmanas išpranašavo, kad Visata plečiasi. Šiuo metu turimi duomenys rodo, kad Visatos evoliucija prasidėjo nuo to momento Didysis sprogimas. Maždaug prieš 15 milijardų metų Visata buvo taškas (jis vadinamas singuliarumo taškas), kuriai dėl jame esančios stiprios gravitacijos, labai aukštos temperatūros ir tankio žinomi fizikos dėsniai negalioja. Pagal šiuo metu priimtą modelį Visata pradėjo išsipūsti nuo singuliarumo taško, didėjant pagreičiui.

1926 metais buvo gauti eksperimentiniai Visatos plėtimosi įrodymai. Amerikiečių astronomas E. Hablas, teleskopu tirdamas tolimų galaktikų spektrus, aptiko raudonąjį spektrinių linijų poslinkį. Tai reiškė, kad galaktikos tolsta viena nuo kitos ir greičiu, didėjančiu atstumu. Hablas sukūrė tiesinį ryšį tarp atstumo ir greičio, susietą su Doplerio efektu ( Hablo dėsnis):

(1) , Kur

r– atstumas tarp galaktikų;

v – galaktikų pašalinimo greitis;

N– Hablo konstanta. Reikšmė N priklauso nuo laiko, praėjusio nuo Visatos plėtimosi pradžios iki dabarties momento, ir svyruoja nuo 50 iki 100 km/s·Mpc. Astrofizikoje, kaip taisyklė, naudojamas H = 75 km/s·Mpc. Hablo konstantos nustatymo tikslumas yra

0,5 km/s Mpc;

Su– šviesos greitis vakuume;

Z– raudonasis bangos ilgio poslinkis, vadinamasis. kosmologinis veiksnys.

(2) , Kur

– imtuvo gaunamos spinduliuotės bangos ilgis;

– objekto skleidžiamos spinduliuotės bangos ilgis.

Taigi, matuojant linijų, pavyzdžiui, jonizuoto vandenilio (H+) poslinkį matomoje spektro dalyje, iš Žemės stebima galaktika gali nustatyti savo raudonąjį poslinkį pagal (2) formulę. Z ir pagal Hablo dėsnį (1) apskaičiuokite atstumą iki jo arba jo pašalinimo greitį:

Darbo tvarka

1. Kompiuterio darbalaukyje iškvieskite programą „Atstumų iki galaktikų nustatymas“. Monitoriaus ekrane atsiras Visatos sritis su devyniomis skirtingomis galaktikomis, stebimomis iš Žemės paviršiaus. Ekrano viršuje pasirodo matomos šviesos spektras ir bangos ilgio žymeklis jonizuoto vandenilio H+.

2. Užveskite žymeklį ant mokytojo nurodytos galaktikos ir spustelėkite klavišą.

3. Užrašykite bangos ilgį ir λ kurią skleidžia ši galaktika jai tolstant.

Apsvarstykite dvi galaktikas, esančias atstumu L vienas nuo kito ir greičiu tolsta vienas nuo kito V. Kokia yra raudonojo poslinkio reikšmė pirmosios galaktikos spektre, išmatuota antrosios galaktikos stebėtojo?

Atrodytų, atsakymas akivaizdus. Raudonojo poslinkio reikšmė z yra lygus:

Tačiau tokio raudonojo poslinkio dydžio būtų galima tikėtis stacionarioje Visatoje. Bet mūsų Visata plečiasi! Ar pats Visatos plėtimosi faktas gali turėti įtakos raudonojo poslinkio vertei?

Pakeiskime problemos sąlygą. Dabar tarkime, kad galaktikos yra fiksuotu atstumu L vienas nuo kito (pavyzdžiui, jie lėtai sukasi aplink bendrą masės centrą). Ar vienoje galaktikoje esantis stebėtojas aptiks raudonąjį poslinkį kitos galaktikoje dėl to, kad visata plečiasi?

Kai Visata plečiasi, ji įveikia gravitacinį trauką tarp jos dalių. Todėl, plečiantis Visatai, jos plėtimosi greitis mažėja. Fotonas, judantis iš vienos galaktikos į kitą, kaip ir bet kuris objektas Visatoje, gravitaciškai sąveikauja su besiplečiančia medžiaga ir taip „sulėtina“ Visatos plėtimąsi. Todėl besiplečiančioje Visatoje judančio fotono energija turi mažėti. Padarykime kiekybinius įvertinimus.

Kai fotonas paliko vieną galaktiką, gravitacinis potencialas Visatoje, sukurtas visos Visatos materijos, buvo lygus F 1. Fotonui atvykus į antrąją galaktiką, gravitacinis potencialas Visatos viduje dėl Visatos plėtimosi padidėjo ir tapo lygus Ф 2 > Ф 1 (tuo pačiu metu | 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.

Taigi nuo mūsų tolstančios galaktikos emisijos spektro raudonojo poslinkio vertė susideda iš dviejų dalių. Pirmoji dalis, kurią tiesiogiai sukelia galaktikų tolimo greitis, yra vadinamasis Doplerio efektas. Jo vertė yra:

Antrąją dalį lemia tai, kad Visata plečiasi, todėl jos viduje didėja gravitacinis potencialas. Tai yra vadinamasis gravitacinis raudonasis poslinkis. Jo vertė yra:

(8.9)

Čia F 1 yra Visatos gravitacinis potencialas fotono išvykimo vietoje, jo išvykimo momentu; Ф 2 – Visatos gravitacinis potencialas fotono registracijos vietoje, jo registravimo momentu.

Dėl to nuo mūsų tolstančios galaktikos emisijos spektro raudonojo poslinkio vertė bus lygi:

(8.10)

Ir mes darome labai svarbią išvadą. Tik dalį kosmologinio raudonojo poslinkio, stebimo tolimų galaktikų emisijos spektruose, tiesiogiai sukelia šių galaktikų atstumas nuo mūsų. Kitą raudonojo poslinkio dalį sukelia Visatos gravitacinio potencialo padidėjimas. Todėl greitis, kuriuo galaktikos tolsta nuo mūsų, yra mažiau, nei manoma šiuolaikinėje kosmologijoje, ir atitinkamai Visatos amžius, daugiau.

Atlikti skaičiavimai rodo, kad jei Visatos tankis yra artimas kritiniam (ši išvada padaryta remiantis didelio masto galaktikų pasiskirstymo tyrimu), tada:

Tai yra, tik 2/3 kosmologinio raudonojo poslinkio vertės z 0 tolimų galaktikų spektruose (8.10) lemia galaktikų tolimo greitis. Atitinkamai, Hablo konstanta yra 1,5 karto mažesnė, nei manoma šiuolaikinėje kosmologijoje, o Visatos amžius, priešingai, yra 1,5 karto didesnis.

Kaip bendrojoje reliatyvumo teorijoje sprendžiamas kosmologinio raudonojo poslinkio kilmės klausimas? Panagrinėkime dvi galaktikas, kurios dalyvauja kosmologiniame Visatos plėtime ir kurių ypatingi greičiai yra tokie maži, kad jų galima nepaisyti. Tegul atstumas tarp galaktikų tuo momentu, kai fotonas palieka pirmąją galaktiką, yra lygus L. Kai fotonas atvyks į antrąją galaktiką, atstumas tarp galaktikų padidės ir bus lygus L + L D. Bendrojoje reliatyvumo teorijoje gravitacinė sąveika visiškai redukuojama į geometriją. Pagal šią teoriją svarbiausias dydis, apibūdinantis besiplečiančią Visatą, yra vadinamasis masto faktorius. Jei galima nepaisyti savotiškų dviejų viena nuo kitos nutolusių galaktikų greičių, tada mastelio koeficientas keisis proporcingai atstumo tarp šių galaktikų pokyčiui.

Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją besiplečiančioje Visatoje judančio fotono bangos ilgis l kinta proporcingai mastelio koeficiento pokyčiui, o raudonasis poslinkis atitinkamai lygus:

(8.12)

Jeigu V– viena nuo kitos tolstančių galaktikų greitis, t– fotono skrydžio laikas, tada:

Rezultate gauname:

Taigi pagal bendrąją reliatyvumo teoriją kosmologinis raudonasis poslinkis nepriklauso nei nuo Visatos tankio, nei nuo greičio, kuriuo kinta Visatos gravitacinis potencialas, o priklauso tik apie santykinį galaktikų recesijos greitį. Ir jei, pavyzdžiui, mūsų Visata plėtėsi tokiu pačiu greičiu kaip ir dabar, bet tuo pat metu jos tankis būtų kelis kartus mažesnis, tai pagal bendrąją reliatyvumo teoriją kosmologinio raudonojo poslinkio emisijoje reikšmė. galaktikų spektrai būtų tas pats. Pasirodo, didžiulių masių egzistavimas Visatos viduje, stabdantis Visatos plėtimąsi, jokiu būdu neturi įtakos judančių fotonų energijai! Tai atrodo mažai tikėtina.

Galbūt todėl iškilo rimtų problemų, bandant bendrosios reliatyvumo teorijos rėmuose paaiškinti labai nutolusių supernovų spektrų raudonųjų poslinkių priklausomybę nuo atstumo iki jų. O norėdami „išgelbėti“ bendrąją reliatyvumo teoriją, XX amžiaus pabaigoje kosmologai iškėlė prielaidą, kad mūsų Visata plečiasi ne lėtėjant, o, priešingai, pagreičiu, o tai prieštarauja universalumo dėsniui. gravitacija (šia tema aptariama).

Čia nenagrinėsime pagreitinto Visatos plėtimosi hipotezės (nors, mano giliu įsitikinimu, ne tik bendrosios reliatyvumo teorijos, bet ir jokios kitos teorijos neverta gelbėti tokių hipotezių pagalba), o vietoj to pabandysime. perkelti šią problemą iš lauko teorinės fizikos į eksperimento sritį. Iš tiesų, kam vesti teorines diskusijas apie kosmologinio raudonojo poslinkio kilmę, jei atsakymą į šį klausimą galite gauti fizinėje laboratorijoje?

Dar kartą suformuluosime šį svarbų klausimą. Ar egzistuoja kosmologinis raudonasis poslinkis, kurį sukelia ne galaktikų tolimas Doplerio efektas, o tai, kad judant fotonui, Visatos gravitacinis potencialas didėja?

Norint atsakyti į šį klausimą, pakanka atlikti tokį eksperimentą (žr. 33 pav.).

Lazerio spindulys padalijamas į du pluoštus taip, kad vienas spindulys iš karto pataiko į detektorių, o antrasis spindulys pirmiausia kurį laiką juda tarp dviejų lygiagrečių veidrodžių ir tik tada atsitrenkia į detektorių. Taigi antrasis spindulys patenka į detektorių su laiko uždelsimu t (kelios minutės). O detektorius lygina dviejų tam tikru momentu skleidžiamų spindulių bangos ilgius t-ti t. Reikėtų tikėtis antrojo pluošto bangos ilgio pokyčio, palyginti su pirmuoju, dėl Visatos gravitacinio potencialo padidėjimo, kurį sukelia jos plėtimasis.

Šis eksperimentas yra išsamiai aptartas, todėl dabar mes apsvarstysime tik pagrindines išvadas, kurias galima padaryti jį atlikus.

Ryžiai. 33. Scheminė eksperimento schema, skirta išmatuoti kosmologinį raudonąjį poslinkį, kurį sukelia ne Doplerio efektas, o gravitacinio potencialo pokytis Visatos viduje.

Lazerio spindulys nukreipiamas į permatomą veidrodį. Šiuo atveju viena spindulio dalis praeina pro veidrodį ir trumpiausiu keliu patenka į detektorių. O antroji spindulio dalis, atsispindėjusi nuo veidrodžio ir einanti per veidrodžių 1, 2, 3 sistemą, su tam tikru laiko vėlavimu atsitrenkia į detektorių. Dėl to detektorius lygina dviejų spindulių, skleidžiamų skirtingu laiku, bangos ilgius.

Pirma, mes galėsime išsiaiškinti, ar yra kosmologinis raudonasis poslinkis, kurį sukelia ne šaltinio pašalinimo greitis, o pats Visatos plėtimosi faktas, tai yra gravitacinio potencialo padidėjimas viduje. visata.

Antra, jei aptinkamas toks poslinkis (ir tam yra visos priežastys), tada Mes, atlikdami laboratorinį eksperimentą, įrodysime patį Visatos plėtimosi faktą. Be to, mes galėsime išmatuoti greitį, kuriuo didėja gravitacinis potencialas, kurį sukuria visa Visatoje esanti medžiaga.

Trečia, iš raudonojo poslinkio tolimų galaktikų spektruose vertės atėmus tą dalį, kurią sukelia ne jų pašalinimo greitis, o gravitacinio potencialo pasikeitimas, išsiaiškiname. tiesa galaktikų tolimo greitį ir taip galėtų pakoreguoti dabartinį Visatos amžiaus įvertinimą.