Main menu:

Расширение Вселенной и шкала космических расстояний

Спектр галактики представляет собой совокупность спектров звезд, которые даютЭдвин Хаббл основной вклад в излучение галактик. Длины волн линий поглощения в спектре каждой звезды смещены на величину, пропорциональную радиальной компоненте скорости звезды относительно Земли. Относительное смещение длины волны не зависит от длины волны, и при малом его значении может быть вычислено по формуле Доплера. В составном спектре галактики каждая линия уширена, поскольку представляет собой совокупность линий отдельных звезд, сдвинутых в разные стороны и на разную величину в соответствии с движением отдельных звезд относительно центра масс галактики.

Линии в центральной части спектра галактик также смещены на величину, пропорциональную радиальной компоненте скорости центра масс галактики относительно Земли. Таким образом, мы можем определить скорость удаления или приближения галактик, измеряя относительное изменение длин волн центральных спектральных линий.

Поскольку спектры галактик слабы, их трудно измерять. Спектрограф растягивает спектральное изображение галактик, еще более понижая их поверхностную яркость, которая и без того мала. В 1912 г. В. М. Слайфер измерил доплеровский сдвиг в спектре самой яркой из галактик - Туманности Андромеды с помощью спектрографа, соединенного с 24-дюймовым телескопом обсерватории Лоуэлла в Аризоне. Два года спустя он опубликовал результаты измерений лучевых скоростей 13 спиральных галактик.

Скорости большинства исследованных Слайфером галактик были положительны, что свидетельствовало об их удалении от Солнца, а скорости нескольких галактик намного превосходили все измеренные до того времени. Не вызывало сомнений, что эти спиральные галактики удалялись от нашей Галактики с громадными скоростями.

К 1925 г. Слайфер измерил лучевые скорости 45 спиральных галактик. К тому моменту картина начала проясняться. Все галактики, за исключением нескольких, самых ярчайших и, по-видимому, ближайших, удалялись от Солнца. Скорость удаления галактик явно возрастала по мере уменьшения их видимой яркости. Наибольшая скорость удаления среди галактик, выбранных Слайфером, достигала 1800 км/с. Создавалось впечатление, что галактики разбегаются прочь от Млечного Пути во всех направлениях, причем скорость убегания возрастает по мере удаления. Есть ли смысл в такой картине движения?

Вывод Хаббла о том, что галактики (за исключением локальных группировок) распределены в пространстве равномерно, накладывает сильное ограничение на вид крупномасштабного движения, которое мы могли бы надеяться наблюдать. При однородном распределении нет какого-либо выделенного положения или направления (если исключить локальные неоднородности). Крупномасштабное движение может нарушить эту симметрию, если только оно само ею не обладает. Какие же виды движения в больших масштабах сохраняют крупномасштабную однородность?

Рассмотрим вначале одномерный случай. Представьте себе бесконечно длинную, тонкую, прямую резиновую ленту, на которой через равные расстояния (скажем, через 1 дюйм) нанесены деления. Единственное крупномасштабное растягивающее движение, которое не приводит к утончению или утолщению ленты в отдельных местах, - это растяжение, при котором расстояние между каждой парой соседних делений возрастает в одинаковое число раз. Предположим, что резиновую ленту растягивают таким образом, что за минуту расстояние между соседними делениями удваивается. В этом случае расстояние между двумя произвольными делениями также удваивается за минуту. Отсюда следует, что относительная скорость произвольной пары деления пропорциональна расстоянию между делениями.

Растягивающее движение описанного вида не придает ни одному из делений преимущественного положения. Наблюдатель, помещенный на любое деление, увидит, что другие деления удаляются от него со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Центр этой одномерной Вселенной - везде, а границы она не имеет.

Представьте теперь плоский резиновый лист, разделенный на одинаковые квадратные клетки. Единственное крупномасштабное движение, которое не приводит к тому, что лист в одних местах становится тоньше, а в других толще, - это движение, при котором все квадраты увеличиваются в размерах в одинаковое число раз, не изменяя своей формы. Подобного рода растяжение изменяет размеры, но не меняет формы любой фигуры, нарисованной на листе. Как и ранее, относительная скорость двух любых делений пропорциональна расстоянию между ними, и любая точка может считаться центром этой двумерной Вселенной.

Аналогичная картина наблюдается и в случае трехмерной поверхности. Единственное крупномасштабное движение, сохраняющее однородность точек в узлах трехмерной сетки, - это движение, в процессе которого каждая сферическая поверхность расширяется со скоростью, пропорциональной ее радиусу. Любую точку можно рассматривать как центр среды, расширяющейся подобным образом: картина расширения будет абсолютно одинаковой при наблюдении из любой точки пространства.

Крупномасштабное движение рассмотренного выше типа называется однородным расширением. При однородном сжатии (движении в обратном направлении) пространственная однородность, естественно, также сохраняется. Однородное сжатие и расширение - это единственные разновидности крупномасштабного движения, которые не выделяют преимущественного положения или направления в пространстве. Однородный сдвиг или однородное вращение - примеры крупномасштабных движений, которые, не выделяя преимущественного положения, задают тем не менее выделенное направление (соответственно направление сдвига и ось вращения).

Обнаруженное Слайфером удаление галактик от Млечного Пути с громадными скоростями дает основание полагать, что система галактик в целом подвержена однородному расширению. Никакая другая интерпретация наблюдений не согласуется с выводом Хаббла об однородном и изотропном (исключая локальные неоднородности) распределении галактик в пространстве. Но действительно ли система галактик расширяется однородно? Если это так, то лучевая скорость (проекция вектора скорости на луч зрения) слабых галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них. Галактики, расположенные в 10 раз дальше (они выглядят в сто раз слабее), чем наиболее удаленные галактики из списка Слайфера, должны иметь лучевую скорость 18 000 км/с, а галактики, находящиеся еще в 10 раз дальше, - 180 000 км/с (что составляет более половины скорости света!).

Чтобы проверить гипотезу однородного расширения Вселенной, Хабблу нужно было определить расстояние до спиральных галактик из списка Слайфера. Оценка расстояний до далеких галактик и скоплений галактик относится к числу главных проблем наблюдательной космологии. Как найти светимость очень слабых звезд, удаленных на неизвестное расстояние, либо светимость или линейный размер удаленных галактик и скоплений галактик?

Существует стандартный подход к решению этих проблем. Космологи строят шкалу космических расстояний. На самом деле это скорее напоминает постройку пирамиды: на каждом уровне мы подготавливаем материал, из которого будем строить следующий уровень.

Звезды, расположенные достаточно близко, чтобы можно было измерить их параллакс (т. е. звезды, расстояние до которых можно измерить методом триангуляции, предложенным еще Фалесом), создают основание пирамиды. Некоторые из звезд, параллакс которых настолько велик, что его можно точно измерить, имеют яркость гораздо выше, чем Солнце, и обладают рядом характерных признаков, например цветом; это позволяет идентифицировать звезды подобного типа на расстояниях, превышающих предел возможностей метода триангуляции. Однако среди звезд с измеренным параллаксом нет настолько ярких, чтобы их можно было идентифицировать, если они находятся не только в других галактиках, но и в нашей Галактике за пределами относительно малой окрестности Солнца.