Закон Хаббла

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.

История открытия

Вид закона для расширения Вселенной был установлен экспериментально для галактик бельгийским учёным Жоржем Леметром в 1927 году[4], а позже — знаменитым Э. Хабблом в 1929 году с помощью 100-дюймового (254 см) телескопа обсерватории Маунт-Вилсон, который позволил разрешить ближайшие галактики на звезды. Среди них были цефеиды, используя зависимость «период-светимость» которых, Хаббл измерил расстояние до них, а также красное смещение галактик, позволяющее определить их радиальную скорость.

Полученный Хабблом коэффициент пропорциональности составлял около 500 км/с на мегапарсек. Современное значение составляет 67,80 ± 0,77 км/с на мегапарсек[5]. Столь существенную разницу обеспечивают два фактора: отсутствие поправки нуль-пункта зависимости «период-светимость» на поглощение (которое тогда ещё не было открыто) и существенный вклад собственных скоростей в общую скорость для местной группы галактик[6].

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.

А Вы смотрели: Пульсар Вела

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.

Астрономы решили переименовать закон Хаббла

На XXX Генеральной ассамблее Международного астрономического союза было принято предварительное решение о переименовании закона Хаббла о скорости удаляющихся галактик. Исполнительный комитет союза принял во внимание заслуги в открытии закона бельгийского астронома Жоржа Лемэтра и официально постановил называть один из основополагающих принципов современной космологии законом Хаббла — Лемэтра. Окончательное решение будет оглашено после электронного голосования среди всех членов Международного астрономического союза.

Закон Хаббла был открыт в 20-х годах XX века — он оказался первым свидетельством расширения Вселенной и стал в результате основополагающим принципом для современной космологии. В классической форме этот закон говорит, что скорость удаления галактики (или другого астрономического объекта) от наблюдателя на Земле прямо пропорциональна расстоянию до нее. Коэффициент пропорциональности сейчас называют постоянной Хаббла и обозначают H

. В данный момент уравнение обычно записывают в форме, которая включает красное допплеровское смещение, однако общий вид закона соответствует его начальной форме.

Сейчас считается, что впервые этот закон был сформулирован бельгийским астроном Жоржем Лемэтром в 1927 году, однако его работа была опубликована на французском языке в бельгийском журнале Annales de la Société Scientifique de Bruxelles

, о котором мало знали за пределами страны, и широкой известности эта статья не получила. Два года спустя в
Proceedings of the National Academy of Sciences
свою работу представил Эдвин Хаббл, и именно его статья стала цитироваться, а сам закон, описывающий скорость удаления галактик, и входящая в него константа получили имя Хаббла. Только в 1931 году Лемэтр перевел свою статью на английский, но опубликовал ее в сильно сокращенном варианте, и его заслуги в открытии этого принципа остались не отмеченными.

Лишь сейчас — спустя 90 лет после публикаций Лемэтра и Хаббла — на XXX Генеральной ассамблее Международного астрономического союза было принято решение восстановить историческую справедливость в отношении этого закона. Астрономы приняли во внимание опубликованные Лемэтром результаты: связь красного смещения с расстоянием до галактики, подтверждение космологической модели Фридмана и оценку скорости расширения Вселенной. Кроме того, представители Международного астрономического союза отмечают, что на Третьей генеральной ассамблее Международного астрономического союза в 1928 году — после выхода статьи Лемэтра, но до публикации работы Хаббла — два ученых обсуждали вопрос важности и точности полученных данных, связывающих красное смещение и расстояние до наблюдаемых галактик, а также их связь с моделью развития Вселенной.

Приняв во внимание все эти факты, исполнительный комитет Международного астрономического союза официально рекомендовал закон о скорости расширения вселенной, который раньше носил имя Хаббла, теперь называть законом Хаббла — Лемэтра.

Стоит отметить, что на данный момент переименование закона было утверждено только выборочным голосованием на Генеральной ассамблее — «за» проголосовали 74 процента из 385 членов Международного астрономического союза, присутствовавших на ассамблее. Окончательное решение будет принято после электронного голосования среди всех членов союза. Результаты этого голосования будут оглашены 26 октября.

Из-за систематической недооценки расстояний до галактик, значение постоянной Хаббла в обеих работах — и Хаббла, и Лемэтра — было почти на порядок завышено. Впервые оценить эту величину достаточно точно удалось лишь 30 лет спустя. Однако до сих пор значение константы Хаббла постоянно уточняют. Согласно последним измерениям телескопов Gaia и «Хаббл», ее значение составляет 73,52 ± 1,62 километра в секунду на мегапарсек.

В изначальной версии заметки содержалась неточность: в ней не было указано, что для утверждения решения, принятого на Генеральной ассамблее, необходимо провести электронное голосование. Редакция приносит извинения читателям.

Александр Дубов

Материалы по теме

Горизонт событий

Главное значение закона Хаббла для астрономии заключается в том, что он подтверждает постулат: Вселенная постоянно расширяется. Вместе с этим закон Хаббла служит дополнительным подтверждением теории Большого взрыва, ведь, как считают современные ученые, именно Большой взрыв послужил толчком для расширения «материи» Вселенной.

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.

Открытие Хаббла

Постоянная была впервые предложена американским астрономом Эдвином Хабблом. Он занимался изучением галактик, и особенно его интересовали те, которые находятся наиболее далеко от Земли.

В 1929 году, на основании данных, полученных астрономом Харлоу Шепли, говорящих о том, что галактики, похоже, удаляются от Млечного Пути, Хаббл обнаружил, что чем дальше эти галактики с Земли, тем быстрее они движутся.

В то время ученые решили, что это явление – это всего лишь разлет галактик друг от друга. Однако сегодня астрономы знают, что на самом деле наблюдается расширение всей Вселенной. Независимо от того, где вы будете находиться в космосе, вы будете наблюдать одно и то же явление, происходящее с той же самой скоростью.

Первоначальные расчеты Хаббла уточнялись на протяжении многих лет, поскольку для проведения измерений использовались все более чувствительные телескопы, в том числе «Хаббл» и «Гайя», данные с которых уточняли значение постоянной на основе измерений космического микроволнового фона – постоянного температурного фона Вселенной, иногда еще называемый «послесвечением» Большого Взрыва.

Интересные факты

1. Величина, обратная постоянной Хаббла, равна примерно 13,78 миллиардам лет. Эта величина указывает на то, сколько времени прошло с момента начала расширения Вселенной, а значит, вполне вероятно указывает и на ее возраст.
2. Наиболее часто закон Хаббла используют для определения точных расстояний до объектов в космическом пространстве.

А Вы смотрели: Спектральный анализ в астрономии

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.

Источник

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 Н

0 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 Н

0 определяется по наблюдениям галактик, расстояния до которых измерены без помощи красного смещения (прежде всего, по ярчайшим звёздам или цефеидам). Большинство независимых оценок
Н
0 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 (2014) наиболее надёжной (хотя и модельно зависимой) считается оценка
Н
0 = (67,80 ± 0,77) (км/c)/Мпк[5].

Проблема оценки Н

0 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.

С другой стороны, если подставить в формулу красного смещения z = H 0 t {\displaystyle z=H_{0}t} время, равное одному периоду колебания фотона T = 1 ν , {\displaystyle T={\frac {1}{\nu }},} то получим, что постоянная Хаббла — это величина, на которую уменьшается частота фотона за один период колебания вне зависимости от длины волны, и чтобы определить, насколько уменьшилась частота фотона, надо постоянную Хаббла умножить на число совершённых колебаний: ν n = n H 0 . {\displaystyle \nu _{n}=nH_{0}.}