Als iemand denkt dat het woord ‘weglopen’ een puur sportief, of hoogstens ‘anti-huwelijks’ karakter heeft, dan heeft hij het mis. Er zijn veel interessantere interpretaties. De kosmologische wet van Hubble geeft bijvoorbeeld aan dat... sterrenstelsels zich verspreiden!

Drie soorten nevels

Stel je voor: in een zwarte, enorme luchtloze ruimte bewegen sterrenstelsels zich stilletjes en langzaam van elkaar af: “Vaarwel! Tot ziens! Tot ziens!". Laten we misschien de ‘lyrische uitweidingen’ achterwege laten en ons wenden tot wetenschappelijke informatie. In 1929 kwam de meest invloedrijke astronoom van de 20e eeuw, de Amerikaanse wetenschapper Edwin Powell Hubble (1889-1953), tot de conclusie dat het heelal gestaag uitdijde.

Een man die zijn hele volwassen leven wijdde aan het ontrafelen van de structuur van de ruimte, werd geboren in Marshfield. Vanaf jonge leeftijd was hij geïnteresseerd in astronomie, hoewel hij uiteindelijk een gediplomeerd advocaat werd. Na zijn afstuderen aan de Universiteit van Cambridge werkte Edwin in Chicago bij het York Observatory. Hij vocht in de Eerste Wereldoorlog (1914-1918). De jaren aan het front vertraagden de ontdekking alleen maar op tijd. Tegenwoordig weet de hele wetenschappelijke wereld wat de constante van Hubble is.

Op weg naar ontdekking

Toen hij terugkeerde van het front, richtte de wetenschapper zijn aandacht op het hooggelegen Mount Wilson Observatory (Californië). Hij werd daar aangenomen. Verliefd op astronomie bracht de jongeman veel tijd door met kijken door de lenzen van enorme telescopen van 60 en 100 inch. Voor die tijd - de grootste, bijna fantastisch! De uitvinders hebben bijna tien jaar aan de apparaten gewerkt, waarbij ze de hoogst mogelijke vergroting en helderheid van het beeld bereikten.

Laten we ons herinneren dat de zichtbare grens van het heelal de metagalaxie wordt genoemd. Het gaat over naar de toestand ten tijde van de oerknal (kosmologische singulariteit). Moderne bepalingen stellen dat de waarden van fysieke constanten homogeen zijn (dat wil zeggen de snelheid van het licht, elementaire lading, enz.). Er wordt aangenomen dat de Metagalaxy 80 miljard sterrenstelsels bevat (een verbazingwekkend cijfer klinkt ook zo: 10 triljoen en 1 septiljoen sterren). Vorm, massa en grootte - voor het heelal zijn dit totaal andere concepten dan die op aarde worden geaccepteerd.

Mysterieuze Cepheïden

Om de theorie die de uitdijing van het heelal verklaart te onderbouwen, waren langdurig diepgaand onderzoek, complexe vergelijkingen en berekeningen nodig. Begin jaren twintig van de 20e eeuw was de soldaat van gisteren eindelijk in staat nevels te classificeren die afzonderlijk van de Melkweg werden waargenomen. Volgens zijn ontdekking zijn ze spiraalvormig, elliptisch en onregelmatig (drie soorten).

In de dichtstbijzijnde, maar niet de dichtstbijzijnde, spiraalnevel, Andromeda, zag Edwin Cepheïden (een klasse van pulserende sterren). De wet van Hubble is dichter dan ooit bij zijn uiteindelijke vorming gekomen. De astronoom berekende de afstand tot deze bakens en de grootte van de grootste. Volgens zijn conclusies bevat Andromeda ongeveer een biljoen sterren (2,5-5 keer groter dan de Melkweg).

Constante

Sommige wetenschappers, die de aard van Cepheïden uitleggen, vergelijken ze met opblaasbare rubberen ballen. Ze nemen toe of af, komen soms dichterbij, soms verwijderen ze zich. De radiale snelheid fluctueert in dit geval. Bij samendrukking neemt de temperatuur van de “reizigers” toe (hoewel het oppervlak afneemt). Pulserende sterren zijn een ongebruikelijke slinger die vroeg of laat zal stoppen.

Net als andere nevels wordt Andromeda door wetenschappers gekarakteriseerd als een universele eilandruimte, die doet denken aan onze Melkweg. In 1929 ontdekte Edwin: de radiale snelheden van sterrenstelsels en hun afstanden zijn onderling gerelateerd en lineair afhankelijk. Er werd een coëfficiënt bepaald, uitgedrukt in km/s per megaparsec, de zogenaamde Hubble-constante. Terwijl het heelal uitdijt, verandert de constante. Maar op een specifiek moment, op alle punten in het systeem van het universum, is het hetzelfde. In 2016 - 66,93 ± 0,62 (km/s)/Mpc.

Ideeën over het systeem van het universum dat zijn evolutie voortzette en zich uitbreidde, kreeg toen een observatiebasis. Het proces werd tot het begin van de Tweede Wereldoorlog actief bestudeerd door astronomen. In 1942 leidde hij de afdeling Externe Ballistiek op de Aberdeen Proving Ground (VS). Heeft een volger van misschien wel de meest mysterieuze wetenschap ter wereld hiervan gedroomd? Nee, hij wilde de wetten van de verborgen hoeken van verre sterrenstelsels ‘ontcijferen’! Wat zijn politieke opvattingen betreft, veroordeelde de astronoom openlijk de leider van het Derde Rijk, Adolf Hitler. Aan het einde van zijn leven werd Hubble bekend als een krachtige tegenstander van het gebruik van massavernietigingswapens. Maar laten we terugkeren naar de nevels.

Geweldig Edwin

Veel astronomische constanten worden in de loop van de tijd aangepast en er verschijnen nieuwe ontdekkingen. Maar ze kunnen niet allemaal worden vergeleken met de Wet van Uitbreiding van het Heelal. De beroemde astronoom van de 20e eeuw, Hubble (sinds de tijd van Copernicus had hij geen gelijke!) wordt op één lijn gesteld met de grondlegger van de experimentele natuurkunde, Galileo Galilei, en de auteur van de vernieuwende conclusie over het bestaan ​​van stellaire systemen , Willem Herschel.

Zelfs voordat de wet van Hubble werd ontdekt, werd de auteur lid van de National Academy of Sciences van de Verenigde Staten van Amerika, later van academies in verschillende landen, en heeft hij vele onderscheidingen ontvangen. Veel mensen hebben waarschijnlijk gehoord dat de Hubble-ruimtetelescoop ruim tien jaar geleden in een baan om de aarde werd gelanceerd en met succes functioneert. Deze naam wordt gegeven aan een van de kleine planeten die roteren tussen de banen van Mars en Jupiter (asteroïde).

Het zou niet helemaal eerlijk zijn om te zeggen dat de astronoom er alleen maar van droomde zijn naam te bestendigen, maar er zijn indirecte aanwijzingen dat Edwin graag de aandacht trok. Er zijn foto's waarop hij vrolijk poseert naast filmsterren. Hieronder zullen we praten over zijn pogingen om zijn prestatie op laureaatniveau te 'repareren', en zo de geschiedenis van de kosmologie binnen te gaan.

Henrietta Leavitt-methode

De beroemde Britse astrofysicus schreef in zijn boek A Brief History of Time dat “de ontdekking dat het heelal uitdijt de grootste intellectuele revolutie van de 20e eeuw was.” Hubble had het geluk om op het juiste moment op de juiste plaats te zijn. Mount Wilson Observatory was het centrum van het observatiewerk dat ten grondslag lag aan de nieuwe astrofysica (later kosmologie genoemd). De krachtigste telescoop op aarde, de Hooker-telescoop, was zojuist operationeel geworden.

Maar de constante van Hubble werd nauwelijks door geluk ontdekt. Geduld, doorzettingsvermogen en het vermogen om wetenschappelijke rivalen te verslaan waren vereist. Dit is hoe de Amerikaanse astronoom Harlow Shapley zijn model van de Melkweg voorstelde. Hij stond al bekend als de wetenschapper die de omvang van de Melkweg bepaalde. Hij maakte uitgebreid gebruik van de Cepheid-afstandsmethode, waarbij hij gebruik maakte van een techniek die in 1908 werd samengesteld door Henrietta Swan Leavitt. Het stelde de afstand tot een object vast op basis van standaardvariaties in het licht van heldere sterren (Cepheid-variabelen).

Geen stof en gas, maar andere sterrenstelsels

Harlow Shapley geloofde dat het sterrenstelsel 300.000 lichtjaar breed was (ongeveer tien keer breder dan normaal). Shapley was er echter, net als de meeste astronomen uit die tijd, zeker van: de Melkweg is het hele universum. Ondanks de veronderstelling die William Herschel in de 18e eeuw voor het eerst maakte, deelde hij de algemene overtuiging dat alle nevels voor relatief nabije objecten slechts plekken stof en gas aan de hemel zijn.

Hoeveel bittere, koude nachten heeft Hubble aan de krachtige Hooker-telescoop gezeten voordat hij kon bewijzen dat Shapley ongelijk had. In oktober 1923 merkte Edwin een ‘uitbundig’ object op in de M31-nevel (sterrenbeeld Andromeda) en suggereerde dat dit niet tot de Melkweg behoorde. Na zorgvuldig fotografische platen te hebben bestudeerd die hetzelfde gebied lieten zien dat eerder door andere astronomen, waaronder Shapley, was bestudeerd, realiseerde Edwin zich dat het een Cepheid was.

Ruimte ontdekt

Hubble gebruikte de Shapley-methode om de afstand tot de veranderlijke ster te meten. Het bleek dat het miljoenen lichtjaren van de aarde verwijderd is, wat ver voorbij de Melkweg ligt. Het sterrenstelsel zelf bevat miljoenen sterren. Het Bekende Heelal breidde zich op dezelfde dag dramatisch uit en – in zekere zin – werd de Kosmos zelf ontdekt!

De New York Times schreef: "De ontdekte spiraalnevels zijn sterrenstelsels. Dr. Hubbel (sic) bevestigt de opvatting dat ze als 'eilanduniversums' lijken, vergelijkbaar met het onze." De ontdekking was belangrijk voor de astronomische wereld, maar het grootste moment van Hubble moest nog komen.

Geen statisch

Zoals we al zeiden, behaalde Copernicus nr. 2 de overwinning in 1929, toen hij alle bekende nevels classificeerde en hun snelheden mat aan de hand van de spectra van uitgestraald licht. Zijn verbazingwekkende ontdekking dat alle sterrenstelsels zich van ons terugtrekken met snelheden die toenemen in verhouding tot hun afstand tot de Melkweg, schokte de wereld. De wet van Hubble schafte het traditionele idee van een statisch heelal af en liet zien dat het zelf vol dynamiek is. Einstein zelf boog zijn hoofd voor dit verbazingwekkende observatievermogen.

De auteur van de relativiteitstheorie corrigeerde zijn eigen vergelijkingen, die hij gebruikte om de uitdijing van het heelal te rechtvaardigen. Nu heeft Hubble aangetoond dat Einstein gelijk had. De Hubble-tijd is het omgekeerde van de Hubble-constante (t H = 1/H). Dit is de karakteristieke tijd van expansie van het heelal op dit moment.

Geëxplodeerd en verspreid

Als de constante in 2016 gelijk is aan 66,93 ± 0,62 (km/s)/Mpc, dan wordt de expansie momenteel gekenmerkt door de volgende cijfers: (4,61 ± 0,05) 10 17 s of (14,610 ± 0,016) 10 9 jaar oud. En weer een beetje humor. Optimisten zeggen: het is goed dat sterrenstelsels ‘verstrooien’. Als we ons voorstellen dat ze dichterbij komen, zou er vroeg of laat een oerknal plaatsvinden. Maar het was met hem dat de geboorte van het universum begon.

De sterrenstelsels “snelden” (begon te bewegen) tegelijkertijd in verschillende richtingen. Als de verwijderingssnelheid niet evenredig zou zijn met de afstand, is de explosietheorie zinloos. Een andere afgeleide constante is de Hubble-afstand - het product van tijd en de snelheid van het licht: D H = ct H = c/H. Op het huidige moment - (1,382 ± 0,015) 10 26 m of (14,610 ± 0,016) 10 9 lichtjaren.

En nogmaals over de opblaasbare bal. Er is een mening dat zelfs astronomen de uitdijing van het heelal niet altijd correct interpreteren. Sommige deskundigen zijn van mening dat het opzwelt als een rubberen bal, zonder enige fysieke beperkingen te kennen. Tegelijkertijd bewegen de sterrenstelsels zelf niet alleen van ons weg, maar 'scharrelen' ze ook chaotisch rond in stationaire clusters. Anderen beweren dat verre sterrenstelsels ‘wegdrijven’ als fragmenten van de oerknal, maar ze doen dit rustig.

Had Nobelprijswinnaar kunnen worden

Hubble probeerde de Nobelprijs te winnen. Eind jaren veertig huurde hij zelfs een reclameagent in (nu zou hij PR-manager worden genoemd) om het bedrijf te promoten. Maar de inspanningen waren tevergeefs: er was geen categorie voor astronomen. Edwin overleed in 1953 tijdens wetenschappelijk onderzoek. Gedurende een aantal nachten observeerde hij extragalactische objecten.

Zijn laatste ambitieuze droom bleef onvervuld. Maar de wetenschapper zou waarschijnlijk blij zijn als er een ruimtetelescoop naar hem vernoemd zou worden. En in gedachten blijven generaties broeders de uitgestrekte en prachtige ruimte verkennen. Het herbergt nog steeds veel mysteries. Hoeveel ontdekkingen liggen er in het verschiet! En de afgeleide Hubble-constanten zullen een van de jonge wetenschappers zeker helpen ‘Copernicus nr. 3’ te worden.

Aristoteles uitdagen

Wat zal bewezen of weerlegd worden, zoals toen de theorie van oneindigheid, eeuwigheid en onveranderlijkheid van de ruimte rond de aarde, die Aristoteles zelf steunde, uiteenviel? Hij schreef symmetrie en perfectie toe aan het universum. Het kosmologische principe bevestigd: alles stroomt, alles verandert.

Er wordt aangenomen dat de lucht over miljarden jaren leeg en donker zal zijn. De uitdijing zal sterrenstelsels voorbij de kosmische horizon ‘meeslepen’, vanwaar het licht ons niet zal kunnen bereiken. Zal de constante van Hubble relevant zijn voor een leeg heelal? Wat zal er gebeuren met de wetenschap van de kosmologie? Zal ze verdwijnen? Dit alles is speculatie.

Roodverschuiving

Ondertussen heeft de Hubble-telescoop een foto gemaakt die laat zien dat we nog ver verwijderd zijn van de universele leegte. In professionele kringen is men van mening dat de ontdekking van Edwin Hubble waardevol is, maar niet zijn wet. Hij was echter het die vrijwel onmiddellijk werd erkend in wetenschappelijke kringen van die tijd. Observaties van de ‘roodverschuiving’ hebben niet alleen het bestaansrecht verworven, ze zijn ook relevant in de 21e eeuw.

En vandaag de dag vertrouwen ze bij het bepalen van de afstand tot sterrenstelsels op de superontdekking van de wetenschapper. Optimisten zeggen: zelfs als onze Melkweg de enige blijft, zullen we ons niet ‘vervelen’. Er zullen miljarden dwergsterren en planeten zijn. Dit betekent dat er naast ons nog steeds ‘parallelle werelden’ zullen zijn die moeten worden verkend.

Voor de grote natuurkundigen uit het verleden, I. Newton en A. Einstein, leek het heelal statisch. De Sovjet-natuurkundige A. Friedman kwam in 1924 met de theorie van ‘verstrooiende’ sterrenstelsels. Friedman voorspelde de uitdijing van het heelal. Dit was een revolutionaire revolutie in het fysieke begrip van onze wereld.

De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble onderzocht de Andromedanevel. In 1923 kon hij zien dat de buitenwijken clusters van individuele sterren waren. Hubble berekende de afstand tot de nevel. Het bleek 900.000 lichtjaar te zijn (de nauwkeuriger berekende afstand van vandaag is 2,3 miljoen lichtjaar). Dat wil zeggen, de nevel bevindt zich ver buiten de Melkweg - onze Melkweg. Na het observeren van deze en andere nevels kwam Hubble tot een conclusie over de structuur van het heelal.

Het universum bestaat uit een verzameling enorme sterrenhopen - sterrenstelsels.

Zij zijn het die voor ons verschijnen als verre mistige ‘wolken’ aan de hemel, omdat we individuele sterren eenvoudigweg niet op zo’n grote afstand kunnen zien.

E. Hubble merkte een belangrijk aspect op in de verkregen gegevens, dat astronomen eerder hadden waargenomen, maar het moeilijk vonden om te interpreteren. Namelijk: de waargenomen lengte van spectrale lichtgolven uitgezonden door atomen van verre sterrenstelsels is iets groter dan de lengte van spectrale golven uitgezonden door dezelfde atomen in aardse laboratoria. Dat wil zeggen dat in het stralingsspectrum van naburige sterrenstelsels het lichtkwantum dat door een atoom wordt uitgezonden wanneer een elektron van baan naar baan springt, in frequentie naar het rode deel van het spectrum wordt verschoven, vergeleken met een vergelijkbaar kwantum dat door hetzelfde atoom op aarde wordt uitgezonden. . Hubble nam de vrijheid deze waarneming te interpreteren als een manifestatie van het Doppler-effect.

Alle waargenomen naburige sterrenstelsels bewegen zich van de aarde af, aangezien bijna alle galactische objecten buiten de Melkweg een rode spectrale verschuiving vertonen die evenredig is aan de snelheid waarmee ze worden verwijderd.

Het allerbelangrijkste was dat Hubble de resultaten van zijn metingen van afstanden tot naburige sterrenstelsels kon vergelijken met metingen van hun recessiesnelheden (gebaseerd op roodverschuiving).

Wiskundig gezien is de wet heel eenvoudig geformuleerd:

waarbij v de snelheid is waarmee het sterrenstelsel van ons af beweegt,

r – afstand ernaartoe,

H is de constante van Hubble.

En hoewel Hubble aanvankelijk tot deze wet kwam als resultaat van het waarnemen van slechts enkele sterrenstelsels die zich het dichtst bij ons bevonden, valt niet één van de vele nieuwe sterrenstelsels van het zichtbare heelal die sindsdien zijn ontdekt, steeds verder verwijderd van de Melkweg, buiten de grenzen van de Melkweg. reikwijdte van deze wet.

Het belangrijkste gevolg van de wet van Hubble is dus:

Het heelal dijt uit.

Het weefsel van de wereldruimte breidt zich uit. Alle waarnemers (en jij en ik zijn geen uitzondering) beschouwen zichzelf als het centrum van het heelal.

4. De oerknaltheorie

Op basis van het experimentele feit van de recessie van sterrenstelsels werd de leeftijd van het heelal geschat. Het bleek gelijk te zijn: ongeveer 15 miljard jaar! Zo begon het tijdperk van de moderne kosmologie.

De vraag rijst natuurlijk: wat gebeurde er in het begin? Het kostte wetenschappers slechts ongeveer twintig jaar om hun begrip van het heelal volledig te revolutioneren.

Het antwoord werd in de jaren veertig voorgesteld door de uitmuntende natuurkundige G. Gamow (1904 - 1968). De geschiedenis van onze wereld begon met de oerknal. Dit is precies wat de meeste astrofysici tegenwoordig denken.

De oerknal is een snelle daling van de aanvankelijk enorme dichtheid, temperatuur en druk van materie geconcentreerd in een zeer klein volume van het heelal. Alle materie van het heelal was samengeperst tot een dichte klomp protomaterie, vervat in een zeer klein volume vergeleken met de huidige schaal van het heelal.

Het idee van het heelal, geboren uit een superdichte klomp superhete materie en sindsdien uitdijend en afgekoeld, wordt de oerknaltheorie genoemd.

Er bestaat vandaag de dag geen succesvoller kosmologisch model van de oorsprong en evolutie van het heelal.

Volgens de Big Bang-theorie bestond het vroege heelal uit fotonen, elektronen en andere deeltjes. Fotonen hebben voortdurend interactie met andere deeltjes. Terwijl het heelal uitdijde, koelde het af, en op een gegeven moment begonnen elektronen zich te combineren met de kernen van waterstof en helium en atomen te vormen. Dit gebeurde bij een temperatuur van ongeveer 3000 K en een geschatte leeftijd van het heelal van 400.000 jaar. Vanaf dat moment konden fotonen zich vrij door de ruimte bewegen, vrijwel zonder interactie met materie. Maar we blijven achter met “getuigen” van dat tijdperk – dit zijn relictfotonen. Er wordt aangenomen dat de kosmische achtergrondstraling van de microgolven bewaard is gebleven vanaf de beginfase van het bestaan ​​van het heelal en deze gelijkmatig vult. Als gevolg van verdere afkoeling van de straling daalde de temperatuur en bedraagt ​​nu ongeveer 3 K.

Het bestaan ​​van kosmische achtergrondstraling werd theoretisch voorspeld binnen het raamwerk van de oerknaltheorie. Het wordt beschouwd als een van de belangrijkste bevestigingen van de oerknaltheorie.

Momenteel is dat volgens astronomische waarnemingen vastgesteld Het heelal is op grote schaal homogeen, d.w.z. al zijn regio's met een grootte van 300 miljoen lichtjaar en meer zien er hetzelfde uit. Op kleinere schaal zijn er gebieden in het heelal waar clusters van sterrenstelsels voorkomen en, omgekeerd, holtes waar er maar weinig zijn.

Een sterrenstelsel is een systeem van sterren die een gemeenschappelijke oorsprong hebben en met elkaar verbonden zijn door zwaartekracht. Het sterrenstelsel waarin onze zon zich bevindt, is de Melkweg

Afstanden tot hemellichamen in de astronomie worden verschillend bepaald, afhankelijk van of deze objecten dichtbij of ver van onze planeet verwijderd zijn. In de ruimte worden de volgende eenheden vaak gebruikt om afstanden te meten:

1 a.u.( astronomische eenheid) = (149597870 2) km;

1 stuk ( parsec) = 206265 a.u. = 3,086·10 meter;

1ste jaar ( lichtjaar) = 0,307 pc = 9,5·10 m. Een lichtjaar is het pad dat het licht in een jaar aflegt.

Dit artikel stelt een methode voor voor het bepalen van afstanden tot verre sterrenstelsels met behulp van ‘roodverschuiving’, d.w.z. door de golflengten in het spectrum van de waargenomen verre stralingsbron te vergroten in vergelijking met de overeenkomstige golflengten van de lijnen in de standaardspectra.

De lichtbron verwijst naar de straling van verre sterrenstelsels (de helderste sterren of gas- en stofnevels daarin). Onder " roodverschuiving" - een verschuiving van spectraallijnen in de spectra van de chemische elementen waaruit deze objecten bestaan ​​naar de lange golflengte (rode) kant, vergeleken met de golflengten in de spectra van standaardelementen op aarde. De "roodverschuiving" wordt veroorzaakt door het Dopplereffect.

Doppler effect is dat straling die wordt uitgezonden door een bron die zich van een stationaire ontvanger verwijdert, door deze bron met een langere golflengte zal worden ontvangen, vergeleken met straling van dezelfde stationaire bron. Als de bron de ontvanger nadert, zal de golflengte van het opgenomen signaal daarentegen afnemen.

In 1924 voorspelde de Sovjet-natuurkundige Alexander Friedman dat het heelal uitdijt. De momenteel beschikbare gegevens laten zien dat de evolutie van het heelal vanaf dat moment begon Oerknal. Ongeveer 15 miljard jaar geleden was het heelal een punt (het wordt genoemd). singulariteit punt), waarop, vanwege de sterke zwaartekracht die erin zit, de zeer hoge temperatuur en dichtheid, de bekende natuurwetten niet van toepassing zijn. In overeenstemming met het momenteel geaccepteerde model begon het heelal met toenemende versnelling op te blazen vanaf het punt van singulariteit.

In 1926 werd experimenteel bewijs verkregen van de uitdijing van het heelal. De Amerikaanse astronoom E. Hubble ontdekte tijdens het bestuderen van de spectra van verre sterrenstelsels met een telescoop de roodverschuiving van spectraallijnen. Dit betekende dat de sterrenstelsels zich van elkaar verwijderden, en met een snelheid die toenam met de afstand. Hubble construeerde een lineaire relatie tussen afstand en snelheid geassocieerd met het Doppler-effect ( Wet van Hubble):

(1) , Waar

R– afstand tussen sterrenstelsels;

v – snelheid van verwijdering van sterrenstelsels;

N– Hubble-constante. Betekenis N hangt af van de tijd die is verstreken vanaf het begin van de uitdijing van het heelal tot het huidige moment, en varieert in het bereik van 50 tot 100 km/s·Mpc. In de astrofysica wordt doorgaans H = 75 km/s·Mpc gebruikt. De nauwkeurigheid van het bepalen van de Hubble-constante is

0,5 km/s Mpc;

Met– lichtsnelheid in vacuüm;

Z– rode golflengteverschuiving, zogenaamde. kosmologische factor.

(2) , Waar

– golflengte van de door de ontvanger ontvangen straling;

– golflengte van de straling die door het object wordt uitgezonden.

Door de omvang van de verschuiving van lijnen te meten, bijvoorbeeld geïoniseerde waterstof (H+) in het zichtbare deel van het spectrum, is het dus mogelijk voor een sterrenstelsel waargenomen vanaf de aarde om zijn roodverschuiving te bepalen met behulp van formule (2). Z en bereken met behulp van de wet van Hubble (1) de afstand ernaartoe of de snelheid waarmee het wordt verwijderd:

Werkorder

1. Roep het programma "Bepaling van afstanden tot sterrenstelsels" op het bureaublad van de computer op. Op het beeldscherm verschijnt een deel van het heelal met negen verschillende sterrenstelsels, waargenomen vanaf het aardoppervlak. Een zichtbaar lichtspectrum en een golflengtemarkering voor geïoniseerd waterstof H+ verschijnen bovenaan het scherm.

2. Plaats de cursor op het door de leraar aangegeven sterrenstelsel en klik op de toets.

3. Noteer de golflengte en λ uitgezonden door dit sterrenstelsel terwijl het zich verwijdert.

Beschouw twee sterrenstelsels die zich op een afstand bevinden L van elkaar af en bewegen zich met snelheid van elkaar af V. Wat is de waarde van de roodverschuiving in het spectrum van het eerste sterrenstelsel, gemeten door een waarnemer op het tweede sterrenstelsel?

Het lijkt erop dat het antwoord voor de hand ligt. Roodverschuivingswaarde z is gelijk aan:

Deze omvang van de roodverschuiving zou echter verwacht worden in een stationair heelal. Maar ons heelal dijt uit! Kan juist het feit van de uitdijing van het heelal de waarde van de roodverschuiving beïnvloeden?

Laten we de toestand van het probleem veranderen. Laten we nu aannemen dat de sterrenstelsels zich op een vaste afstand bevinden L van elkaar (ze roteren bijvoorbeeld langzaam rond een gemeenschappelijk massamiddelpunt). Zal een waarnemer in het ene sterrenstelsel een roodverschuiving in het spectrum van een ander sterrenstelsel detecteren als gevolg van het feit dat het heelal uitdijt?

Wanneer het heelal uitdijt, overwint het de zwaartekracht tussen zijn delen. Naarmate het heelal uitdijt, neemt de uitdijingssnelheid af. Een foton dat zich van het ene sterrenstelsel naar het andere beweegt, net als elk object in het heelal, heeft een zwaartekrachtinteractie met uitdijende materie en 'vertraagt' daardoor de uitdijing van het heelal. Daarom moet de energie van een foton dat zich in een uitdijend heelal beweegt, afnemen. Laten we kwantitatieve schattingen maken.

Toen een foton één sterrenstelsel verliet, was het zwaartekrachtpotentieel in het heelal, gecreëerd door alle materie in het heelal, gelijk aan F 1. Toen het foton bij het tweede sterrenstelsel arriveerde, nam het zwaartekrachtpotentieel in het heelal toe als gevolg van de uitdijing van het heelal en werd gelijk aan Ф 2 > Ф 1 (tegelijkertijd | 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.

De roodverschuivingswaarde in het emissiespectrum van een sterrenstelsel dat van ons af beweegt, zal dus uit twee delen bestaan. Het eerste deel, dat rechtstreeks wordt veroorzaakt door de snelheid waarmee sterrenstelsels zich verwijderen, is het zogenaamde Dopplereffect. De waarde ervan is:

Het tweede deel wordt veroorzaakt door het feit dat het heelal uitdijt en daardoor het zwaartekrachtpotentieel erin toeneemt. Dit is de zogenaamde zwaartekrachtroodverschuiving. De waarde ervan is:

(8.9)

Hier is Ф 1 het zwaartekrachtpotentieel van het heelal op het vertrekpunt van het foton, op het moment van zijn vertrek; Ф 2 – zwaartekrachtpotentieel van het heelal op de plaats van fotonregistratie, op het moment van registratie.

Als gevolg hiervan zal de roodverschuivingswaarde in het emissiespectrum van het sterrenstelsel dat van ons af beweegt gelijk zijn aan:

(8.10)

En we komen tot een heel belangrijke conclusie. Slechts een deel van de kosmologische roodverschuiving die wordt waargenomen in de emissiespectra van verre sterrenstelsels wordt rechtstreeks veroorzaakt door de afstand van deze sterrenstelsels tot ons. Het andere deel van de roodverschuiving wordt veroorzaakt door een toename van het zwaartekrachtpotentieel van het heelal. Daarom is de snelheid waarmee sterrenstelsels van ons af bewegen gelijk minder dan in de moderne kosmologie wordt aangenomen, en de leeftijd van het heelal, dienovereenkomstig, meer.

Berekeningen die zijn uitgevoerd laten zien dat als de dichtheid van het heelal bijna kritiek is (deze conclusie is getrokken op basis van het bestuderen van de grootschalige verspreiding van sterrenstelsels), dan:

Dat wil zeggen slechts 2/3 van de kosmologische roodverschuivingswaarde z 0 in de spectra van verre sterrenstelsels (8.10) wordt veroorzaakt door de snelheid waarmee de sterrenstelsels zich verwijderen. Dienovereenkomstig is de constante van Hubble 1,5 keer kleiner dan aangenomen in de moderne kosmologie, en de leeftijd van het heelal is daarentegen 1,5 keer groter.

Hoe wordt de vraag naar de oorsprong van de kosmologische roodverschuiving opgelost in de algemene relativiteitstheorie? Laten we eens kijken naar twee sterrenstelsels die deelnemen aan de kosmologische uitdijing van het heelal en waarvan de bijzondere snelheden zo klein zijn dat ze verwaarloosd kunnen worden. Laat de afstand tussen de sterrenstelsels op het moment dat het foton het eerste sterrenstelsel verlaat gelijk zijn aan L. Wanneer het foton het tweede sterrenstelsel bereikt, zal de afstand tussen de sterrenstelsels groter worden en gelijk zijn L + L D. In de algemene relativiteitstheorie wordt zwaartekrachtinteractie volledig gereduceerd tot geometrie. Volgens deze theorie is de belangrijkste grootheid die het uitdijende heelal karakteriseert de zogenaamde schaalfactor. Als de eigenaardige snelheden van twee sterrenstelsels die ver van elkaar verwijderd zijn, kunnen worden verwaarloosd, zal de schaalfactor veranderen in verhouding tot de verandering in de afstand tussen deze sterrenstelsels.

Volgens de algemene relativiteitstheorie verandert de golflengte l van een foton dat zich in het uitdijende heelal beweegt proportioneel met de verandering in de schaalfactor, en is de roodverschuiving dienovereenkomstig gelijk aan:

(8.12)

Als V– snelheid van sterrenstelsels die van elkaar weg bewegen, T– fotonvluchttijd, dan:

Als resultaat krijgen we:

Volgens de algemene relativiteitstheorie hangt de kosmologische roodverschuiving dus niet af van de dichtheid van het heelal of van de snelheid waarmee het zwaartekrachtpotentieel van het heelal verandert, maar hangt alleen over de relatieve snelheid van de recessie van sterrenstelsels. En als ons heelal bijvoorbeeld met dezelfde snelheid uitdijde als nu, maar tegelijkertijd meerdere keren minder dichtheid had, dan zou volgens de algemene relativiteitstheorie de waarde van de kosmologische roodverschuiving in de emissie spectra van sterrenstelsels zouden zijn hetzelfde. Het blijkt dat het bestaan ​​van enorme massa's in het heelal, die de uitdijing van het heelal tegenhouden, op geen enkele manier de energie van bewegende fotonen beïnvloedt! Dit lijkt onwaarschijnlijk.

Misschien is dit de reden waarom er ernstige problemen ontstonden bij het proberen, binnen het raamwerk van de algemene relativiteitstheorie, de afhankelijkheid van roodverschuivingen in de spectra van zeer verre supernova's van de afstand tot hen te verklaren. En om de algemene relativiteitstheorie te ‘redden’ hebben kosmologen aan het einde van de twintigste eeuw de veronderstelling naar voren gebracht dat ons heelal niet met vertraging uitdijt, maar integendeel met versnelling, in strijd met de wet van universele zwaartekracht (dit onderwerp wordt besproken in).

Hier zullen we niet de hypothese van de versnelde uitdijing van het heelal bespreken (hoewel, naar mijn diepe overtuiging, niet alleen de algemene relativiteitstheorie, maar geen enkele andere theorie de moeite waard is om te redden met behulp van dergelijke hypothesen), maar in plaats daarvan zullen we proberen om dit probleem over te brengen van de theoretische natuurkunde naar het experimentele veld. Waarom zouden we theoretische debatten voeren over de oorsprong van de kosmologische roodverschuiving als je het antwoord op deze vraag in een natuurkundig laboratorium kunt krijgen?

Laten we deze belangrijke vraag nogmaals formuleren. Bestaat er een kosmologische roodverschuiving die niet wordt veroorzaakt door het Doppler-effect van sterrenstelsels die zich verwijderen, maar door het feit dat naarmate een foton beweegt, het zwaartekrachtpotentieel van het heelal toeneemt?

Om deze vraag te beantwoorden volstaat het om het volgende experiment uit te voeren (zie figuur 33).

De laserstraal wordt in twee stralen gesplitst, zodat één straal direct de detector raakt, en de tweede straal eerst enige tijd tussen twee evenwijdige spiegels beweegt en dan pas de detector raakt. De tweede straal raakt de detector dus met een tijdsvertraging t (enkele minuten). En de detector vergelijkt de golflengten van twee stralen die op bepaalde momenten worden uitgezonden T-ti T. Er mag een verandering in de golflengte van de tweede straal ten opzichte van de eerste worden verwacht als gevolg van de toename van het zwaartekrachtpotentieel van het heelal, veroorzaakt door zijn uitdijing.

Dit experiment wordt in detail besproken, dus nu zullen we alleen de belangrijkste conclusies bekijken die kunnen worden getrokken nadat het is uitgevoerd.

Rijst. 33. Schematisch diagram van een experiment om de kosmologische roodverschuiving te meten die niet door het Dopplereffect wordt veroorzaakt, maar door verandering in zwaartekrachtpotentieel binnen het heelal.

De laserstraal wordt op een doorschijnende spiegel gericht. In dit geval gaat een deel van de straal door de spiegel en raakt de detector langs de kortste weg. En het tweede deel van de straal, gereflecteerd door de spiegel en door het systeem van spiegels 1, 2, 3 gaat, raakt de detector met een bepaalde tijdsvertraging. Als resultaat vergelijkt de detector de golflengten van twee bundels die op verschillende tijdstippen worden uitgezonden.

Ten eerste zullen we kunnen uitvinden of er al dan niet sprake is van een kosmologische roodverschuiving die niet wordt veroorzaakt door de snelheid waarmee de bron wordt verwijderd, maar door het feit zelf van de uitdijing van het heelal, dat wil zeggen de toename van het zwaartekrachtpotentieel binnenin. het heelal.

Ten tweede: als een dergelijke verschuiving wordt waargenomen (en daar is alle reden voor), dan Wij zullen door middel van een laboratoriumexperiment het feit van de uitdijing van het heelal bewijzen. Bovendien zullen we de snelheid kunnen meten waarmee het zwaartekrachtpotentieel dat door alle materie in het heelal wordt gecreëerd, toeneemt.

Ten derde, door van de waarde van de roodverschuiving in de spectra van verre sterrenstelsels dat deel af te trekken dat niet wordt veroorzaakt door de snelheid waarmee ze worden verwijderd, maar door een verandering in het zwaartekrachtpotentieel, ontdekken we dat WAAR de snelheid waarmee sterrenstelsels zich verwijderen, en kunnen zo de huidige schatting van de leeftijd van het heelal corrigeren.