используя закон хаббла можно оценить возраст вселенной какой порядок этой величины
Закон Хаббла
График из оригинальной работы Хаббла 1929 года
В свое время закон Хаббла сделал переворот в профессиональной астрономии. В начале ХХ века американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что наша Вселенная не статична, как казалось ранее, а постоянно расширяется.
Общие сведения
Постоянная Хаббла: данные с различных космических аппаратов
Закон Хаббла – физико-математическая формула, доказывающая, что наша Вселенная постоянно расширяется. Причем расширение космического пространства, в котором находится и наша галактика Млечный путь, характеризуется однородностью и изотропией. То есть, наша Вселенная расширяется одинаково во всех направлениях. Формулировка закона Хаббла доказывает и описывает не только теорию расширение Вселенной, но и главную идею ее происхождения – теорию Большого взрыва.
Наиболее часто в научной литературе закон Хаббла встречается под следующей формулировкой: v=H0*r. В этой формуле v означает скорость галактики, H0 – коэффициент пропорциональности, который связывает расстояние от Земли до космического объекта со скоростью его удаления (этот коэффициент еще называют «Постоянной Хаббла»), r – расстояние до галактики.
В некоторых источниках встречается другая формулировка закона Хаббла: cz=H0*r. Здесь c выступает, как скорость света, а z символизирует собой красное смещение – сдвиг спектральных линий химических элементов в длинноволновую красную сторону спектра по мере их удаления. В физико-теоретической литературе можно обнаружить и другие формулировки данного закона. Однако от разности формулировок суть закона Хаббла не меняется, а его суть заключается в описании того факта, что наша Вселенная непрерывно расширяется во всех направлениях.
Открытие закона
Возраст и будущее Вселенной может быть определено путем измерения постоянной Хаббла
Предпосылкой к открытию закона Хаббла был целый ряд астрономических наблюдений. Так, в 1913 году американский астрофизик Вейл Слайдер обнаружил, что Туманность Андромеды и несколько других огромных космических объектов движутся с большой скоростью, относительно Солнечной системы. Это дало ученому основание предположить, что туманность – это не формирующиеся в нашей галактике планетарные системы, а зарождающиеся звезды, которые находятся за пределами нашей галактики. Дальнейшее наблюдение за туманностями показало, что они не только являются другими галактическими мирами, но и постоянно удаляются от нас. Этот факт дал возможность астрономическому сообществу предположить, что Вселенная постоянно расширяется.
В 1927 году бельгийский ученый-астроном Жорж Леметр экспериментально установил, что галактики во Вселенной удаляются друг от друга в космическом пространстве. В 1929 году американский ученый Эдвин Хаббл при помощи 254-сантиметрового телескопа установил, что Вселенная расширяется и галактики в космическом пространстве удаляются друг от друга. Используя свои наблюдения, Эдвин Хаббл сформулировал математическую формулу, которая по сегодняшний день точно описывает принцип расширения Вселенной, и имеет огромное значение, как для теоретической, так и практической астрономии.
Закон Хаббла: применение и значение для астрономии
Закона Хаббла имеет огромное значение для астрономии. Его широко применяют современные ученые в рамках создания различных научных теорий, а также при наблюдении космических объектов.
Материалы по теме
Горизонт событий
Закон Хаббла позволил выяснить также, что Вселенная расширяется во всех направлениях одинаково. В какой точке космического пространства не оказался бы наблюдатель, если он посмотрит вокруг себя, он заметит, что все объекты вокруг него одинаково от него удаляются. Наиболее удачно этот факт можно выразить цитатой философа Николая Кузанского, который еще в XV веке сказал: «Любая точка есть центр Безграничной Вселенной».
При помощи закона Хаббла современные астрономы могут с высокой долей вероятности просчитывать положение галактик и скоплений галактик в будущем. Точно так же с его помощью можно вычислить предположительное месторасположение любого объекта в космическом пространстве, спустя определенное количество времени.
Интересные факты
3. Закон Хаббла определяет удаление от нас далеких галактик. Что касается ближайших к нам галактик, то здесь его действие не так ярко выражено. Связано это с тем, что эти галактики помимо скорости, связанной с расширением Вселенной, обладают еще и своей собственной скоростью. В связи с этим они могут, как удаляться от нас, так и приближаться к нам. Но, в общем и целом закон Хаббла актуален для всех космических объектов во Вселенной.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Астрономы уточнили постоянную Хаббла и возраст Вселенной
Когда говорят, что нашей Вселенной 13,7 миллиардов лет, обычно забывают указать неточность, с которой определена эта величина. А неопределённость эта складывается из множества составляющих и в итоге достигает примерно 6–7%, если принимать стандартную на сегодняшний день космологическую модель, а то и всех 15%, если «отпустить» параметры. Так что астрономам на деле следовало бы писать, что нашему миру примерно от 12 до 15 миллиардов лет, и не смешить метрологов выписыванием трёх значащих цифр для этого плохо измеренного параметра.
Тем не менее, установить некоторый «канонический» возраст удобно. Дело в том, что эволюцию Вселенной в относительных величинах мы представляем себе очень неплохо. Например, можно без зазрения совести утверждать, что гамма-всплеск GRB 090423, являющийся на данный момент самым далёким видимым объектом во Вселенной, произошёл, когда возраст нашего мира составлял 4,6% от нынешнего. А вот говорить, что он случился 13,1 миллиарда лет назад — некоторое лукавство. По-хорошему, в таких случаях всегда надо добавлять «принимая возраст Вселенной равным 13,7 миллиарда лет», а для полных педантов потребуется дополнение «и стандартную космологическую модель».
Задача определения абсолютного возраста мира упирается в измерение современного значения так называемой постоянной Хаббла, H0, определяющей истинную, метрически выраженную, скорость расширения нашего мира.
Эта величина показывает насколько галактики, которые расположены дальше от нас, быстрее от нас убегают.
Например, если постоянная Хаббла равна 70 км/c на мегапарсек (H0=70 км/c/Мпк), то галактики, которые мы видим на расстоянии в 10 Мпк, убегают от нас со средней скоростью 700 км/c, а галактики, которые мы видим на расстоянии в 11 Мпк – со скоростью 770 км/c. Там, где скорость расширения достигает скорости света, находится «граница» нашего мира, за которой мы уже ничего не видим, и чем больше значение H0, тем ближе этот горизонт, и тем моложе наша Вселенная.
Чтобы определить постоянную Хаббла надо, очевидно, измерить скорость галактик и расстояние до них. С первым проблем нет: смещение линий в спектрах объектов из-за эффекта Доплера позволяет легко и непринуждённо вычислить скорость убегания.
А вот определение расстояний в астрономии — большая проблема. Дотянуть линейку невозможно ни до одного небесного объекта, возможности радарного и лазерного зондирования ограничиваются пределами Солнечной системы, а дальше приходится выстраивать целую «лестницу» космических расстояний, в которой каждая новая ступенька опирается на предыдущую. И если вы ошибочно измерили расстояние от Земли до Солнца, то эта ошибка будет присутствовать и в расстояниях до звёзд, и в расстояниях до далёких галактик, и в возрасте нашего мира.
Учёные из США и Великобритании под руководством Адама Рисса из американского Университета имени Джона Хопкинса провели самую точную на сегодняшний день такую оценку. Для этого они воспользовались космическим телескопом имени Хаббла (того же американского астронома, в честь которого названа постоянная). Работа учёных (PDF-файл) вскоре будет опубликована в Astrophysical Journal.
Как оказалось, «канонический» возраст Вселенной надо чуть сократить.
Примерно до 13,1 миллиарда лет: постоянная Хаббла H0=74,2 км/c/Мпк — чуть больше, чем ранее считалось. И точность определения этой величины теперь составляет около 5%, даже если не ограничивать себя рамками стандартной космологической модели.
«Лестница космических расстояний» Рисса и его коллег состоит из трёх основных ступенек. На первой ступени находится галактика NGC 4258 (или M 106), расположенная в созвездии Гончих Псов. Вокруг чёрной дыры, расположенной в её центре, крутится диск вещества, в состав которого входят молекулы воды. Эти молекулы излучают очень тонкие, так называемые мазерные линии, по которым можно точно измерить скорость вращения диска. Несложная геометрия этого движения и точные наблюдения с помощью радиотелескопов позволили астрономам вычислить расстояние до галактики, которое составляет 7,2 Мпк (примерно 23 миллиона световых лет).
Это измерение, в свою очередь, позволило очень точно определить истинную светимость переменных звёзд из класса цефеид. Для этих периодически пульсирующих звёзд известна чёткая зависимость: чем больше период колебаний, тем больше истинный блеск. Период колебаний померить несложно: острое зрение телескопа имени Хаббла позволяет построить кривые блеска для отдельных звёзд в этой не такой уж близкой галактике. А по среднему наблюдаемому блеску и точно измеренному расстоянию учёные восстановили и истинный блеск цефеид, который понадобился для калибровки следующей ступеньки «лестницы».
На ней оказались 6 галактик на промежуточных расстояниях, в которых ещё видны отдельные цефеиды и в которых за последние три десятилетия вспыхивали сверхновые типа Ia. Расстояния до этих галактик определили по видимому среднему блеску переменных звёзд и их светимости, используя закон, откалиброванный на предыдущей ступеньке.
При этом ключевым является то обстоятельство, что цефеиды во всех 7 галактиках наблюдались одним и тем же инструментом.
А значит, взаимные расстояния до 6 галактик – и сверхновых в них – прочно опираются на расстояние до NGC 4258, определённое точным геометрическим методом.
После этого оставалось лишь сравнить скорости удаления далёких галактик, в которых сверхновые ещё видны, а цефеиды — уже нет, с наблюдаемым блеском сверхновых, что, благодаря чётко определённой предыдущей ступеньке, тут же даёт расстояние. Поделив разницу в скорости на разницу в расстоянии, учёные получили новое значение постоянной Хаббла H0.
Примечательно, что эта оценка прямая и не зависит от космологической модели. И следовательно, сравнивая её с теми оценками, которые от модели зависят, можно протестировать сами модели.
По данным Рисса и его коллег, Λ — величина действительно постоянная на протяжении большей части жизни Вселенной. Если быть более точным, то новые данные показывают, что так называемое уравнение состояния w+1, показывающее степень переменности Λ, равно нулю с точностью +/-12%. До сих пор этот параметр был известен почти втрое хуже.
В настоящее время та же команда планирует улучшить точность определения космологических параметров минимум в 5 раз. И в этом проекте они рассчитывают на помощь космического телескопа имени Хаббла. В понедельник с последней ремонтной миссией к 18-летнему космическому аппарату отправится шаттл Atlantis. Астрономы скрещивают пальцы, чтобы всё прошло благополучно.
Хаббла закон
Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) — правило физической космологии, согласно которому красное смещение удалённых объектов пропорционально их расстоянию от наблюдателя. Таким образом, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
Другими словами, между расстояниями D до галактик и скоростями их удаления Vr (разбегания) наблюдается линейная зависимость:
.
Чем дальше от наблюдателя космический объект (галактика, квазар), тем быстрее он удаляется.
На каждый миллион парсек расстояния до объекта его скорость убегания увеличивается приблизительно на 75 км/с.
,
С помощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возраст Вселенной (в предположении, что «разбегание» галактик действительное):
,
этот возраст лишь по порядку соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.
Содержание
Суть закона Хаббла
С точки зрения классической механики, закон Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная образовалась в результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили бо́льшие скорости — соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва: с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.
Первое замечание касается того, учитывается ли при наблюдениях тот факт, что из-за того, что свет идёт от галактик миллионы лет, мы наблюдаем их в прошлом. В результате, поскольку они удаляются от нас, в настоящий момент они должны находиться уже дальше. Вопрос: для какого из двух расстояний определена зависимость Хаббла? Ответ: до середины прошлого века это не имело значения. Из графика Хаббла видно, что наибольшие скорости галактик, рассмотренных Хабблом, составили до 1000 км/с. В принципе это большая скорость, но за время движения света от них до Земли, они всё равно успели сдвинуться на незначительный процент общего расстояния.
Экспериментальное открытие
Закон Хаббла установлен экспериментально Э. Хабблом в 1929 для галактик, до которых было определено расстояние по ярчайшим звёздам. Исходное наблюдение состояло в том, что красные линии в спектрах внегалактических туманностей смещаются пропорционально расстоянию до них. Позднее закон был подтверждён по наблюдениям большого количества галактик.
Теоретическая интерпретация
За несколько лет до экспериментального открытия Александром Фридманом были теоретически решены уравнения Эйнштейна для всей Вселенной и в результате было получено, что если распределение вещества в ней в среднем равномерно, то она должна или сжиматься или расширяться, причём в последнем случае должен наблюдаться линейный закон между расстоянием и скоростью убегания. Эта особенность решений Фридмана была сразу же отождествлена с явлением, открытым Хабблом.
В соответствии с этой (общепринятой) моделью космологическое красное смещение нельзя интерпретировать как Эффект Доплера, так как получаемая из наблюдаемого z по формулам этого эффекта скорость не соответствует (лишь приближенно равна) никакой скорости в смысле изменения космологического расстояния между галактиками. Галактики неподвижны (за исключением пекулярных собственных скоростей), а расширяется пространство, что и вызывает расширение волнового пакета. (См. в статье Космологическое красное смещение). Так соотношение
является приближённым, в то время как равенство
Оценка постоянной Хаббла и её физический смысл
В процессе расширения, если оно происходит равномерно, постоянная Хаббла должна уменьшаться, и индекс «0» при её обозначении указывает на то, что величина Н0 относится к современной эпохе. Величина, обратная постоянной Хаббла должна быть в таком случае равна времени, прошедшему с момента начала расширения, то есть, возрасту Вселенной.
Значение Н0 определяется по наблюдениям галактик, расстояния до которых измерены без помощи красного смещения (прежде всего, по ярчайшим звёздам или цефеидам). Большинство независимых оценок Н0 дают для этого параметра значение 70—80 км/с на мегапарсек. Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью 7000—8000 км/с. В настоящее время (2009) наиболее надёжной (хотя и модельно зависимой) считается оценка Н0=(74,2 ± 3,6) км/с/Мпк.
Проблема оценки Н0 осложняется тем, что, помимо космологических скоростей, обусловленных расширением Вселенной, галактики ещё обладают собственными (пекулярными) скоростями, которые могут составлять несколько сотен км/с (для членов массивных скоплений галактик — более 1000 км/с). Это приводит к тому, что закон Хаббла плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии ближе 10-15 млн св. лет, то есть как раз для тех галактик, расстояния до которых наиболее надёжно определяются без красного смещения.
Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на очень больших расстояниях (в миллиарды св. лет), которым соответствует величина z > 1. Расстояния до объектов с таким большим красным смещением теряют однозначность, поскольку зависят от принимаемой модели Вселенной и от того, к какому моменту времени они отнесены. В качестве меры расстояния в этом случае обычно используется только красное смещение.
Возможная нелинейность закона
В наше время наблюдениями, говорящими в пользу существования тёмной энергии, были, по-видимому, обнаружены отклонения от линейного закона Хаббла (как связи красного смещения с расстоянием). Было обнаружено, по-видимому, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Этот факт не отменяет закона Хаббла, так как последний действует на более близких расстояниях, чем эти новые эффекты.
Закон Хаббла
Зако́н Ха́ббла (закон всеобщего разбегания галактик) — эмпирический закон, связывающий красное смещение галактик и расстояние до них линейным образом [1] :
С помощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возраст Вселенной:
Этот возраст является характерным временем расширения Вселенной на данный момент и с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.
Содержание
История открытия
В 1913—1914 годах американский астроном Весто Слайфер установил, что Туманность Андромеды и ещё более десятка небесных объектов движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями (порядка 1000 км/сек). Это означало, что все они находится за пределами Галактики (ранее многие астрономы полагали, что туманности представляют собой формирующиеся в нашей Галактике планетные системы). Другой важный результат: все исследованные Слайфером туманности, кроме 3, удалялись от Солнечной системы. В 1917—1922 годах Слайфер получил дополнительные данные, подтвердившие, что скорость почти всех внегалактических туманностей направлена прочь от Солнца. Артур Эддингтон на основе обсуждавшихся в те годы космологических моделей Общей теории относительности предположил, что этот факт отражает общий природный закон: Вселенная расширяется, и чем дальше от нас астрономический объект, тем больше его относительная скорость.
Теоретическая интерпретация
С точки зрения классической механики, закон Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная образовалась в результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили бо́льшие скорости, соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва: с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.
За несколько лет до экспериментального открытия закона Хаббла Александр Фридман вывел теоретически решения уравнения Эйнштейна для всей Вселенной, и в результате было получено, что если распределение вещества в ней в среднем равномерно, то она должна или сжиматься, или расширяться, причём в последнем случае должен наблюдаться линейный закон между расстоянием и скоростью убегания. Эта особенность решений Фридмана была сразу же отождествлена с явлением, открытым Хабблом.
В соответствии с этой (общепринятой) моделью космологическое красное смещение нельзя интерпретировать как Эффект Доплера, так как получаемая из наблюдаемого z по формулам этого эффекта скорость не соответствует (лишь приближённо равна) никакой скорости в смысле изменения космологического расстояния между галактиками. Галактики неподвижны (за исключением пекулярных собственных скоростей), а расширяется пространство, что и вызывает расширение волнового пакета. (См. в статье Космологическое красное смещение). Соотношение
является приближённым, в то время как равенство
где 
— расстояние в данный момент, есть точное равенство, то есть красное смещение линейно связано с расстоянием только приближённо для близких галактик, а скорость их удаления линейно возрастает с расстоянием точно. Таким образом, в последней формуле скорость V не соответствует скорости, рассчитываемой по эффекту Допплера.
Оценка постоянной Хаббла и её физический смысл
В процессе расширения, если оно происходит равномерно, постоянная Хаббла должна уменьшаться, и индекс «0» при её обозначении указывает на то, что величина Н0 относится к современной эпохе. Величина, обратная постоянной Хаббла, должна быть в таком случае равна времени, прошедшему с момента начала расширения, то есть возрасту Вселенной.
Возможная нелинейность закона
В наше время наблюдениями, говорящими в пользу существования тёмной энергии, были, по-видимому, обнаружены отклонения от линейного закона Хаббла (как связи наблюдаемого красного смещения с расстоянием). Было обнаружено, что, по-видимому, наша Вселенная расширяется с ускорением. [5] Этот факт не отменяет закона Хаббла, если его понимать как зависимость от расстояния в данный конкретный момент времени, то есть если учесть, что далёкие объекты мы наблюдаем в прошлом.