Σταθερά Hubble. Διαστολή του Σύμπαντος

Εξετάστε δύο γαλαξίες που βρίσκονται σε απόσταση μεγάλοο ένας από τον άλλο και απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο με ταχύτητα V. Ποια είναι η τιμή της ερυθρής μετατόπισης στο φάσμα του πρώτου γαλαξία, που μετράται από έναν παρατηρητή που βρίσκεται στον δεύτερο;

Φαίνεται ότι η απάντηση είναι προφανής. Τιμή Redshift zείναι ίσο με:

Ωστόσο, αυτό το μέγεθος της μετατόπισης προς το κόκκινο θα ήταν αναμενόμενο σε ένα ακίνητο Σύμπαν. Αλλά το Σύμπαν μας διαστέλλεται! Μπορεί το ίδιο το γεγονός της διαστολής του Σύμπαντος να επηρεάσει την αξία της μετατόπισης στο κόκκινο;

Ας αλλάξουμε την κατάσταση του προβλήματος. Τώρα ας υποθέσουμε ότι οι γαλαξίες βρίσκονται σε σταθερή απόσταση μεγάλομεταξύ τους (για παράδειγμα, περιστρέφονται αργά γύρω από ένα κοινό κέντρο μάζας). Θα ανιχνεύσει ένας παρατηρητής που βρίσκεται σε έναν γαλαξία μια ερυθρή μετατόπιση στο φάσμα ενός άλλου λόγω του γεγονότος ότι το Σύμπαν διαστέλλεται;

Όταν το Σύμπαν διαστέλλεται, υπερνικά τη βαρυτική έλξη μεταξύ των μερών του. Επομένως, καθώς το Σύμπαν διαστέλλεται, ο ρυθμός διαστολής του μειώνεται. Ένα φωτόνιο, που κινείται από τον έναν γαλαξία στον άλλο, όπως κάθε αντικείμενο μέσα στο Σύμπαν, αλληλεπιδρά βαρυτικά με την διαστελλόμενη ύλη και, ως εκ τούτου, «επιβραδύνει» τη διαστολή του Σύμπαντος. Επομένως, η ενέργεια ενός φωτονίου που κινείται σε ένα διαστελλόμενο Σύμπαν πρέπει να μειωθεί. Ας κάνουμε ποσοτικές εκτιμήσεις.

Όταν το φωτόνιο έφυγε από έναν γαλαξία, το βαρυτικό δυναμικό μέσα στο Σύμπαν, που δημιουργήθηκε από όλη την ύλη στο Σύμπαν, ήταν ίσο με F 1. Όταν το φωτόνιο έφτασε στον δεύτερο γαλαξία, το βαρυτικό δυναμικό μέσα στο Σύμπαν αυξήθηκε λόγω της διαστολής του Σύμπαντος και έγινε ίσο με Ф 2 > Ф 1 (ταυτόχρονα | 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.

Έτσι, η τιμή μετατόπισης προς το κόκκινο στο φάσμα εκπομπής ενός γαλαξία που απομακρύνεται από εμάς θα αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος, που προκαλείται άμεσα από την ταχύτητα με την οποία οι γαλαξίες απομακρύνονται, είναι το λεγόμενο φαινόμενο Doppler. Η τιμή του είναι:

Το δεύτερο μέρος προκαλείται από το γεγονός ότι το Σύμπαν διαστέλλεται, και επομένως το βαρυτικό δυναμικό μέσα του αυξάνεται. Αυτή είναι η λεγόμενη βαρυτική μετατόπιση του κόκκινου. Η τιμή του είναι:

(8.9)

Εδώ το F 1 είναι το βαρυτικό δυναμικό του Σύμπαντος στον τόπο αναχώρησης του φωτονίου, τη στιγμή της αναχώρησής του. Ф 2 – βαρυτικό δυναμικό του Σύμπαντος στον τόπο καταγραφής φωτονίων, τη στιγμή της καταχώρησής του.

Ως αποτέλεσμα, η τιμή μετατόπισης προς το κόκκινο στο φάσμα εκπομπής του γαλαξία που απομακρύνεται από εμάς θα είναι ίση με:

(8.10)

Και καταλήγουμε σε ένα πολύ σημαντικό συμπέρασμα. Μόνο ένα μέρος της κοσμολογικής μετατόπισης του ερυθρού που παρατηρείται στα φάσματα εκπομπής μακρινών γαλαξιών προκαλείται άμεσα από την απόσταση αυτών των γαλαξιών από εμάς. Το άλλο μέρος της μετατόπισης του κόκκινου προκαλείται από την αύξηση του βαρυτικού δυναμικού του Σύμπαντος. Επομένως, η ταχύτητα με την οποία οι γαλαξίες απομακρύνονται από εμάς είναι πιο λιγο, από ό,τι υποτίθεται στη σύγχρονη κοσμολογία, και την ηλικία του Σύμπαντος, αναλόγως, περισσότερο.

Οι υπολογισμοί που έγιναν στο δείχνουν ότι εάν η πυκνότητα του Σύμπαντος είναι κοντά στο κρίσιμο (αυτό το συμπέρασμα προκύπτει με βάση τη μελέτη της μεγάλης κλίμακας κατανομής των γαλαξιών), τότε:

Δηλαδή, μόνο τα 2/3 της τιμής της κοσμολογικής μετατόπισης στο κόκκινο zΤο 0 στα φάσματα των μακρινών γαλαξιών (8.10) προκαλείται από την ταχύτητα με την οποία απομακρύνονται οι γαλαξίες. Αντίστοιχα, η σταθερά Hubble είναι 1,5 φορές μικρότερη από ό,τι υποτίθεται στη σύγχρονη κοσμολογία και η ηλικία του Σύμπαντος, αντίθετα, είναι 1,5 φορές μεγαλύτερη.

Πώς επιλύεται το ζήτημα της προέλευσης της κοσμολογικής μετατόπισης του κόκκινου στη γενική θεωρία της σχετικότητας; Ας εξετάσουμε δύο γαλαξίες που συμμετέχουν στην κοσμολογική διαστολή του Σύμπαντος και των οποίων οι ιδιαίτερες ταχύτητες είναι τόσο μικρές που μπορούν να παραμεληθούν. Ας είναι ίση με την απόσταση μεταξύ των γαλαξιών τη στιγμή που το φωτόνιο φεύγει από τον πρώτο γαλαξία μεγάλο. Όταν το φωτόνιο φτάσει στον δεύτερο γαλαξία, η απόσταση μεταξύ των γαλαξιών θα αυξηθεί και θα είναι ίση με μεγάλο + μεγάλοΔ. Στη γενική θεωρία της σχετικότητας, η βαρυτική αλληλεπίδραση περιορίζεται πλήρως στη γεωμετρία. Σύμφωνα με αυτή τη θεωρία, η πιο σημαντική ποσότητα που χαρακτηρίζει το διαστελλόμενο Σύμπαν είναι ο λεγόμενος παράγοντας κλίμακας. Εάν οι ιδιόμορφες ταχύτητες δύο γαλαξιών που είναι απομακρυσμένοι ο ένας από τον άλλο μπορούν να παραμεληθούν, τότε ο συντελεστής κλίμακας θα αλλάξει ανάλογα με την αλλαγή στην απόσταση μεταξύ αυτών των γαλαξιών.

Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, το μήκος κύματος l ενός φωτονίου που κινείται στο διαστελλόμενο Σύμπαν αλλάζει αναλογικά με τη μεταβολή του παράγοντα κλίμακας και η μετατόπιση του κόκκινου, κατά συνέπεια, ισούται με:

(8.12)

Αν V– η ταχύτητα των γαλαξιών που απομακρύνονται ο ένας από τον άλλον, tείναι ο χρόνος πτήσης του φωτονίου, τότε:

Ως αποτέλεσμα παίρνουμε:

Έτσι, σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η κοσμολογική μετατόπιση του κόκκινου δεν εξαρτάται ούτε από την πυκνότητα του Σύμπαντος ούτε από την ταχύτητα με την οποία αλλάζει το βαρυτικό δυναμικό του Σύμπαντος, αλλά εξαρτάται μόνοσχετικά με τη σχετική ταχύτητα ύφεσης των γαλαξιών. Και αν, για παράδειγμα, το Σύμπαν μας διαστελλόταν με την ίδια ταχύτητα όπως τώρα, αλλά ταυτόχρονα είχε πολλές φορές μικρότερη πυκνότητα, τότε, σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, η τιμή της κοσμολογικής μετατόπισης του κόκκινου στην εκπομπή φάσματα των γαλαξιών θα ήταν το ίδιο. Αποδεικνύεται ότι η ύπαρξη τεράστιων μαζών μέσα στο Σύμπαν, που περιορίζουν τη διαστολή του Σύμπαντος, δεν επηρεάζει σε καμία περίπτωση την ενέργεια των κινούμενων φωτονίων! Αυτό φαίνεται απίθανο.

Ίσως αυτός είναι ο λόγος που προέκυψαν σοβαρά προβλήματα όταν προσπαθούσαμε να εξηγήσουμε, στο πλαίσιο της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, την εξάρτηση των μετατοπίσεων του κόκκινου στα φάσματα των πολύ μακρινών σουπερνόβα από την απόσταση από αυτά. Και για να «σωθεί» η γενική θεωρία της σχετικότητας, στα τέλη του εικοστού αιώνα, οι κοσμολόγοι προέβαλαν την υπόθεση ότι το σύμπαν μας διαστέλλεται όχι με επιβράδυνση, αλλά, αντίθετα, με επιτάχυνση, αντίθετα με τον νόμο της παγκόσμιας βαρύτητα (αυτό το θέμα συζητείται στο).

Εδώ δεν θα συζητήσουμε την υπόθεση της επιταχυνόμενης διαστολής του Σύμπαντος (αν και, κατά τη βαθιά μου πεποίθηση, όχι μόνο η γενική θεωρία της σχετικότητας, αλλά καμία άλλη θεωρία δεν αξίζει να σωθεί με τη βοήθεια τέτοιων υποθέσεων), αλλά αντίθετα θα προσπαθήσουμε να μεταφέρει αυτό το πρόβλημα από τη θεωρητική φυσική πεδίου στο πεδίο του πειράματος. Πράγματι, γιατί να διεξάγετε θεωρητικές συζητήσεις σχετικά με την προέλευση της κοσμολογικής μετατόπισης στο κόκκινο, εάν μπορείτε να βρείτε την απάντηση σε αυτό το ερώτημα σε ένα φυσικό εργαστήριο;

Ας διατυπώσουμε για άλλη μια φορά αυτό το σημαντικό ερώτημα. Υπάρχει μια κοσμολογική μετατόπιση προς το κόκκινο που προκαλείται όχι από το φαινόμενο Doppler των γαλαξιών που απομακρύνονται, αλλά από το γεγονός ότι καθώς ένα φωτόνιο κινείται, το βαρυτικό δυναμικό του Σύμπαντος αυξάνεται;

Για να απαντηθεί αυτή η ερώτηση, αρκεί να πραγματοποιηθεί το ακόλουθο πείραμα (βλ. Εικ. 33).

Η δέσμη λέιζερ χωρίζεται σε δύο ακτίνες, έτσι ώστε η μία δέσμη να χτυπά αμέσως τον ανιχνευτή και η δεύτερη δέσμη πρώτα μετακινείται για κάποιο χρονικό διάστημα μεταξύ δύο παράλληλων κατόπτρων και μόνο τότε χτυπά τον ανιχνευτή. Έτσι, η δεύτερη δέσμη χτυπά τον ανιχνευτή με χρονική καθυστέρηση t (μερικά λεπτά). Και ο ανιχνευτής συγκρίνει τα μήκη κύματος δύο ακτίνων που εκπέμπονται σε χρονικές στιγμές t-τι t. Μια αλλαγή στο μήκος κύματος της δεύτερης δέσμης σε σχέση με την πρώτη θα πρέπει να αναμένεται λόγω της αύξησης του βαρυτικού δυναμικού του Σύμπαντος που προκαλείται από τη διαστολή του.

Αυτό το πείραμα συζητείται λεπτομερώς, επομένως τώρα θα εξετάσουμε μόνο τα κύρια συμπεράσματα που μπορούν να εξαχθούν μετά την πραγματοποίησή του.

Ρύζι. 33. Σχηματικό διάγραμμα ενός πειράματος για τη μέτρηση της κοσμολογικής ερυθρής μετατόπισης που προκαλείται όχι από το φαινόμενο Doppler, αλλά αλλαγή στο βαρυτικό δυναμικόμέσα στο Σύμπαν.

Η δέσμη λέιζερ κατευθύνεται σε ημιδιαφανή καθρέφτη. Σε αυτή την περίπτωση, ένα μέρος της δέσμης περνά μέσα από τον καθρέφτη και χτυπά τον ανιχνευτή κατά μήκος της συντομότερης διαδρομής. Και το δεύτερο μέρος της δέσμης, που αντανακλάται από τον καθρέφτη και διέρχεται από το σύστημα των κατόπτρων 1, 2, 3, χτυπά τον ανιχνευτή με μια ορισμένη χρονική καθυστέρηση. Ως αποτέλεσμα, ο ανιχνευτής συγκρίνει τα μήκη κύματος δύο ακτίνων που εκπέμπονται σε διαφορετικούς χρόνους.

Πρώτον, θα μπορέσουμε να μάθουμε εάν υπάρχει ή όχι μια κοσμολογική μετατόπιση του κόκκινου που προκαλείται όχι από την ταχύτητα απομάκρυνσης της πηγής, αλλά από το ίδιο το γεγονός της διαστολής του Σύμπαντος, δηλαδή την αύξηση του βαρυτικού δυναμικού μέσα το σύμπαν.

Δεύτερον, εάν εντοπιστεί μια τέτοια μετατόπιση (και υπάρχει κάθε λόγος για αυτό), τότε, ως εκ τούτου, Εμείς, μέσα από ένα εργαστηριακό πείραμα, θα αποδείξουμε το ίδιο το γεγονός της διαστολής του Σύμπαντος. Επιπλέον, θα είμαστε σε θέση να μετρήσουμε τον ρυθμό με τον οποίο αυξάνεται το βαρυτικό δυναμικό που δημιουργείται από όλη την ύλη στο Σύμπαν.

Τρίτον, αφαιρώντας από την τιμή της μετατόπισης του κόκκινου στα φάσματα των μακρινών γαλαξιών εκείνο το τμήμα που προκαλείται όχι από την ταχύτητα της αφαίρεσής τους, αλλά από μια αλλαγή στο βαρυτικό δυναμικό, ανακαλύπτουμε αληθήςο ρυθμός με τον οποίο οι γαλαξίες απομακρύνονται, και έτσι είναι σε θέση να διορθώσει την τρέχουσα εκτίμηση της ηλικίας του Σύμπαντος.

Υπάρχουν πολλά καταπληκτικά πράγματα στη Φύση και προσπαθώ να ξεχωρίσω το πιο, πιο άχαρο έργο. Κάποιος πιστεύει ότι η ζωή είναι το πιο εκπληκτικό πράγμα στη Φύση. Κάποιος - αυτό το μυαλό. Αν στραφούμε στην άψυχη φύση, κάποιοι θα μιλήσουν για τους εκπληκτικούς νόμους του μικροκόσμου, άλλοι για τις διαδικασίες αυτοοργάνωσης και χάους. Αλλά, πιθανώς, αν κάνετε μια λίστα, η διαστολή του Σύμπαντος θα είναι πάντα στην πρώτη δεκάδα των πιο εκπληκτικών φαινομένων.

Δεν θα συζητήσουμε εδώ την εγκυρότητα των συμπερασμάτων για τη διαστολή του Σύμπαντος που βασίζονται σε κοσμολογικές παρατηρήσεις. Ομοίως, δεν θα συζητήσουμε τα θεμέλια της ειδικής και της γενικής θεωρίας της σχετικότητας (STR και GTR). Αφήνοντας κατά μέρος το ζήτημα της «αρχής», που δεν θα μας απασχολήσει σημαντικά εδώ (θα θεωρήσουμε ότι η «αρχή» είναι μια αρκετά μακρινή χρονική στιγμή - ας πούμε, πριν από την πρωτογενή πυρηνοσύνθεση - για να μην υπεισέλθουμε σε εικασίες για το πολύ νωρίς Σύμπαν, αν θέλετε, τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι η «αρχή» είναι η στιγμή του τέλους του πληθωριστικού σταδίου, αν υπήρχε), τότε δεν υπάρχει αμφιβολία για τα δεδομένα για τη διαστολή του Σύμπαντος, απλώς καθώς δεν υπάρχουν μεγάλες αμφιβολίες για την εφαρμογή της Γενικής Σχετικότητας σε αυτή την περίπτωση (όλα τα πιθανά αποτελέσματα της κβαντικής βαρύτητας κ.λπ. δεν είναι σημαντικά εδώ). Θα συζητήσουμε την τυπική εικόνα, ακολουθώντας κυρίως το πρόσφατο άρθρο των Tamara M. Davis και Charles H. Lineweaver, "Expanding confusion: common misconceptions of cosmological horizons and the superluminal expansion of the universe" και το βιβλίο του Edward Garrison ( Edward Harrison) «Κοσμολογία: η επιστήμη του σύμπαντος». Αξίζει επίσης να αναφερθούν τα έργα των Kiang - T. Kiang - "Time, Distance, Velocity, Redshift: a personal guided tour", "Can We Observe Galaxies that Recede Faster than Light? - A More Clear-Cut Answer". Επιπλέον, τα θέματα που συζητούνται συζητούνται σε πολλά εγχειρίδια και μονογραφίες για την κοσμολογία.

Λεπτές λεπτομέρειες

"Αναμφίβολα δεν ξέρουμε πολλά..."
(A. Gunitsky)

Η διαστολή του Σύμπαντος (θα γράψουμε το Σύμπαν με κεφαλαίο, αν και μιλάμε συγκεκριμένα για τον παρατηρήσιμο κόσμο, που μερικές φορές γράφεται με μικρό γράμμα) είναι μια πολύ περίεργη διαδικασία, η κατανόηση της οποίας, πρώτον, προκαλεί κάποια πνευματική δυσφορία, και δεύτερον, οδηγεί σε κάποια σύγχυση. Φυσικά, η σύγχυση στα κεφάλια δεν ισχύει για τους επαγγελματίες κοσμολόγους και όσους έχουν ασχοληθεί σοβαρά με αυτά τα ζητήματα (στα τυπικά εγχειρίδια κοσμολογίας τα πάντα περιγράφονται συνήθως προσεκτικά). Ωστόσο, οι ανακρίβειες αφθονούν στη λαϊκή λογοτεχνία. Οι Davis και Lineweaver, χωρίς σε καμία περίπτωση να ισχυριστούν ότι ανακάλυψαν ένα νέο φαινόμενο, προσπάθησαν να συζητήσουν τις κύριες ανακρίβειες που σχετίζονται με τη δημοφιλή (και όχι μόνο) παρουσίαση κάποιων λεπτομερειών που σχετίζονται με τη διαστολή του Σύμπαντος και κατά τη γνώμη μας τα κατάφεραν. Το έργο τους λοιπόν έχει περισσότερο εκπαιδευτικό και παιδαγωγικό χαρακτήρα. Στο παράρτημα του άρθρου τους παρέχουν αποσπάσματα από διάσημα βιβλία διάσημων προσώπων, όπου αυτές οι λεπτομέρειες περιγράφονται ανακριβώς στον ένα ή τον άλλο βαθμό (χωρίς να θεωρούμε τους εαυτούς μας μεγάλους, πρέπει να σημειωθεί ότι και εμείς κάποια στιγμή συμβάλαμε στο διάδοση συγκεχυμένης γνώσης για την οποία λυπούμαστε πολύ). Κοιτάζοντας μπροστά, θα πούμε ότι η κύρια πηγή σύγχυσης είναι η χρήση του τύπου για το σχετικιστικό φαινόμενο Doppler όπου δεν μπορεί να εφαρμοστεί.

Ας συζητήσουμε δύο λεπτομέρειες: την υπερφωτεινή διαστολή (όταν η ταχύτητα υποχώρησης ενός γαλαξία υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός) και τους ορίζοντες. Τα σχέδια από το άρθρο των Davis και Lineweaver θα μας βοηθήσουν σε αυτό.

Θεωρητική εισαγωγή

"Caution Concept 14, Caution Concept 14"

Αρχικά, μια μικρή διευκρίνιση.

Θα χρησιμοποιήσουμε τη μέτρηση Robertson-Walker σε μια απλοποιημένη έκδοση:

ds 2 =-c 2 dt 2 +R(t) 2 dχ 2

Εδώ το χ είναι η συντεταγμένη. Για δύο γαλαξίες (παραμελώντας ιδιαίτερες ταχύτητες) αυτή η τιμή δεν αλλάζει. Για ένα φωτόνιο που διαδίδεται, φυσικά, αλλάζει (η ιδιόμορφη ταχύτητα του φωτονίου είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός). Αλλά για ένα φωτόνιο ds=0, και επομένως μπορούμε να γράψουμε cdt=R(t)dχ για αυτό. Το R(t) είναι ο συντελεστής κλίμακας. Σε ένα διαστελλόμενο σύμπαν, αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, αντανακλώντας τη διαδικασία διαστολής. Για παράδειγμα, το R(t 0)/R(t)=3 δείχνει ότι από τη στιγμή t έως τη στιγμή t 0 όλες οι σωστές αποστάσεις μεταξύ αντικειμένων με μηδενικές ιδιαίτερες ταχύτητες (χ=const) τριπλασιάστηκαν. Το γινόμενο του συντελεστή κλίμακας και της συντεταγμένης που το συνοδεύει ονομάζεται σωστή απόσταση, θα το συμβολίσουμε D, D=R(t) χ. Αυτή η απόσταση είναι η «συνήθης» έννοια. Επιπλέον, μπορείτε να εισάγετε το λεγόμενο σύμμορφος χρόνος, τ:

Μαζί με τον συνηθισμένο χρόνο, αυτές οι ποσότητες χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των παρακάτω σχημάτων. Ο κατακόρυφος άξονας αντιπροσωπεύει το χρόνο και ο οριζόντιος την απόσταση. Οι γραμμές του κόσμου των «γαλαξιών» σημειώνονται με μια διακεκομμένη γραμμή. Αριθμούνται με την κόκκινη μετατόπιση την τρέχουσα χρονική στιγμή (στην κοσμολογία, η μετατόπιση προς το κόκκινο δεν σχετίζεται άμεσα με την ταχύτητα, καθορίζεται από τον τύπο: 1+z=R(t 0)/R(t), σημειώστε ότι το η μετατόπιση προς το κόκκινο ενός δεδομένου αντικειμένου αλλάζει με το χρόνο, σε διαφορετικά μοντέλα μπορεί είτε να αυξηθεί είτε να μειωθεί). Το "Us" αντιστοιχεί στη γραμμή χ=0 (και, φυσικά, D=0). Όπως φαίνεται στο δεύτερο (1b) και το τρίτο (1c) σχήματα, όταν χρησιμοποιείται η συνοδευτική απόσταση, οι γραμμές του κόσμου όλων των «γαλαξιών» είναι ευθείες. Το πρώτο σχήμα (1α) δείχνει τη διαστολή του Σύμπαντος: οι γραμμές του κόσμου των «γαλαξιών» απομακρύνονται από εμάς - η δική τους απόσταση αυξάνεται.

Θυμηθείτε ότι η σταθερά Hubble είναι μια ποσότητα που αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Είναι ίσος με τον λόγο της παραγώγου του συντελεστή κλίμακας ως προς το χρόνο προς τον ίδιο τον παράγοντα κλίμακας: H=(dR/dt)/R. Η ταχύτητα διαφυγής ορίζεται ως η παράγωγος της σωστής απόστασης:

V rec =dD/dt=H(t)D(t)=(dR(t)/dt)χ(z).

Εδώ περιγράψαμε επίσης πώς εκφράζεται η ταχύτητα διαφυγής σε διαφορετικά μεγέθη. Μεταξύ των γραπτών εκφράσεων υπάρχει και η V rec =H(t)D(t). ο νόμος του Χαμπλ. Σημειώστε ότι αυτή η έκφραση απορρέει από την κοσμολογική αρχή (το Σύμπαν είναι ομοιογενές, ισότροπο και μοιάζει το ίδιο σε οποιονδήποτε παρατηρητή σε μια δεδομένη χρονική στιγμή). Εάν το Hubble είχε μπορέσει σε εύθετο χρόνο να μετρήσει τις μετατοπίσεις στο κόκκινο και να προσδιορίσει αποστάσεις έως το z>1, τότε θα είχε ανακαλυφθεί μια απόκλιση από τον απλό νόμο, επειδή Η προσέγγιση του Hubble χρησιμοποίησε το νόμο του Doppler για να προσδιορίσει την ταχύτητα από την ερυθρή μετατόπιση. Εάν το Hubble μπορούσε να φτάσει σε υψηλές μετατοπίσεις στο κόκκινο και χρησιμοποιούσε τον σχετικιστικό νόμο Doppler για να καθορίσει την ταχύτητα, τότε η όμορφη ευθεία γραμμή της σχέσης Hubble θα άρχιζε να κάμπτεται. Εν τω μεταξύ, εάν χρησιμοποιείτε τη γενική σχετικότητα, τότε όλα θα είναι εντάξει: η έκφραση V rec =H(t)D(t) παραμένει έγκυρη για οποιαδήποτε μετατόπιση προς το κόκκινο.

Στην κοσμολογία μπορεί να είναι επικίνδυνο να χρησιμοποιείτε το SRT (και τη διαίσθηση που βασίζεται σε αυτό), επειδή Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένα συμπεράσματα (ο Kiang το αποκαλεί "σκιές του SRT"). Το γεγονός είναι ότι η ταχύτητα διαφυγής διαφέρει σημαντικά από τη γνωστή έννοια της ταχύτητας. Για αυτήν, το SRT δεν ισχύει "κατά μέτωπο". Η ταχύτητα διαφυγής δεν είναι ιδιότητα της πηγής, αλλά ιδιότητα ενός σημείου στο χώρο. Επομένως, δεν πρέπει να περιμένουμε μια άμεση εφαρμογή των εννοιών που αναπτύχθηκαν διαισθητικά στο SRT στην κοσμολογία.

Προφανώς, υπάρχει μια απόσταση - η σφαίρα Hubble, D H - στην οποία η ταχύτητα διαφυγής είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός. Επιπλέον, όπως θα φανεί παρακάτω, μπορούμε να δούμε αυτά τα αντικείμενα (φυσικά, πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι το φως χρειάζεται χρόνο - και μάλιστα πολύ - για να φτάσει σε εμάς από αυτά τα αντικείμενα). Αυτό το εκπληκτικό γεγονός δεν έρχεται σε αντίθεση με τίποτα (συμπεριλαμβανομένου του SRT, το οποίο απλά δεν μπορεί να εφαρμοστεί εδώ).

Η συνηθισμένη διαίσθηση εφαρμόζεται σε μικρές αποστάσεις. Μέχρι περίπου z=0,1, τα αποτελέσματα από τους παραπάνω τύπους και από το φαινόμενο Doppler θα είναι κοντά το ένα στο άλλο. Επίσης, για τέτοιες κοντινές πηγές, οι αποστάσεις μπορούν να υπολογιστούν πολλαπλασιάζοντας την ταχύτητα του φωτός επί ((ηλικία του Σύμπαντος τώρα) - (ηλικία του Σύμπαντος τη στιγμή της ακτινοβολίας)).

Ορίζοντες

«Όταν το γαλάζιο απόγευμα του Ιανουαρίου υψώνει μια σημαία στον ορίζοντα...»
(A. Gunitsky)

Δεν υπάρχει μεγάλη σύγχυση στη βιβλιογραφία σχετικά με τους ορίζοντες. Απλώς είναι χρήσιμο να το καταλάβουμε. Ας εξετάσουμε δύο σημαντικούς ορίζοντες: τον ορίζοντας των σωματιδίων και τον ορίζοντα γεγονότων.

Ο ορίζοντας των σωματιδίων είναι η απόσταση από την πιο μακρινή πηγή, καταρχήν παρατηρήσιμη σε μια δεδομένη χρονική στιγμή (για κάθε περίπτωση, ας διευκρινίσουμε ότι μιλάμε για την απόσταση από το αντικείμενο τη στιγμή λήψης του φωτονίου, και όχι σε τη στιγμή της εκπομπής). Μερικές φορές αυτή η ακτίνα ορίζεται διαφορετικά: η απόσταση που μπορεί να διανύσει ένα φωτόνιο από t=0 σε μια δεδομένη στιγμή (δηλαδή, αυτή είναι η απόσταση στην οποία μπορούν να μεταδοθούν πληροφορίες σε χρόνο ίσο με την ηλικία του Σύμπαντος). Από το Σχ. Το 1γ δείχνει ξεκάθαρα ότι και οι δύο ορισμοί είναι ισοδύναμοι. Σε ένα μη διαστελλόμενο Σύμπαν πεπερασμένης ηλικίας (δηλαδή με «αρχή»), αυτή η ακτίνα θα αυξανόταν γραμμικά με το χρόνο. Σε ένα Σύμπαν που διαστέλλεται με πιο αργό ρυθμό, η ακτίνα θα αυξανόταν πάντα, αλλά πιο αργά. Σε ένα επιταχυνόμενο Σύμπαν, η ακτίνα τείνει σε μια πεπερασμένη τιμή (στις συντεταγμένες που συνοδεύουν) καθώς ο χρόνος τείνει στο άπειρο (δηλαδή, υπάρχουν αντικείμενα που δεν θα δούμε ποτέ, όσο κι αν περιμένουμε). Αυτός ο ορίζοντας δεν μπορεί να οριστεί ως η ταχύτητα του φωτός πολλαπλασιασμένη με το χρόνο μετά την έναρξη της διαστολής. Η συντεταγμένη που συνοδεύει ένα αντικείμενο στον ορίζοντα των σωματιδίων τη στιγμή t ορίζεται ως η ταχύτητα του φωτός πολλαπλασιαζόμενη με το ολοκλήρωμα από το 0 σε μια δεδομένη χρονική στιγμή t· κάτω από το ολοκλήρωμα είναι dt"/R(t") - σύμμορφος χρόνος. Αντίστοιχα, για να προσδιορίσετε τη δική σας απόσταση, πρέπει στη συνέχεια να πολλαπλασιάσετε το αποτέλεσμα με τον παράγοντα κλίμακας τη δεδομένη στιγμή. Σημειώστε ότι η μετατόπιση των πηγών στον ορίζοντα των σωματιδίων είναι άπειρη.

Στα σχήματα, ο ορίζοντας των σωματιδίων απεικονίζεται με έναν φωτεινό κώνο από το σημείο t=0, χ=0 στο μέλλον. Ωστόσο, αυτός ο ίδιος ο κώνος δεν είναι ορίζοντας σωματιδίων! Σε κάθε δεδομένη στιγμή t i ο ορίζοντας είναι ένα τμήμα αυτού του κώνου από το επίπεδο t=t i . Εκείνοι. είναι η τρισδιάστατη σφαίρα γύρω μας που αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Αλλά ο σχεδιασμένος κώνος σας επιτρέπει να δείτε πώς ο ορίζοντας των σωματιδίων αλλάζει με την πάροδο του χρόνου (ιδιαίτερα, πώς οι «γαλαξίες» εισέρχονται σε αυτόν, δηλαδή γίνονται ορατοί σε εμάς).

Ο ορίζοντας γεγονότων είναι μια μάλλον περίπλοκη έννοια (και δεν υπάρχει σε κάθε κοσμολογικό μοντέλο). Ας δούμε ξανά το Σχ. 1ος αιώνας Εκτός από τον κώνο φωτός μας (για την παρούσα χρονική στιγμή), βλέπουμε έναν φωτεινό κώνο για μια στιγμή στο άπειρο μέλλον - αυτός είναι ο ορίζοντας γεγονότων. Χωρίζει το επίπεδο (χωροχρόνος) σε δύο μέρη. Τα γεγονότα μέσα στον κώνο (υπενθυμίζουμε ότι ένα σημείο σε αυτό το επίπεδο είναι ακριβώς ένα γεγονός στο χώρο ΚΑΙ στον χρόνο) χωρίζονται σε δύο ομάδες. Αυτά που βρίσκονται μέσα στον κώνο είτε ήταν διαθέσιμα σε εμάς για παρατήρηση στο παρελθόν είτε θα είναι διαθέσιμα στο μέλλον. Γεγονότα έξω από τον κώνο είναι θεμελιωδώς απρόσιτα σε εμάς για παρατήρηση.

Σημειώστε ότι στο μοντέλο 30/70, ένα άπειρο μέλλον αντιστοιχεί σε έναν πεπερασμένο σύμμορφο χρόνο.

Ας προσπαθήσουμε να δώσουμε κάποια προσθήκη/διευκρίνιση για τον ορίζοντα γεγονότων. Η απόσταση από τον ορίζοντα γεγονότων αυτή τη στιγμή είναι η απόσταση από το σωματίδιο που μπορεί να φτάσει το φωτεινό μας σήμα που στέλνεται τη δεδομένη στιγμή. Στο Σχ. 1c είναι ξεκάθαρο ότι αν συνεχίσουμε τον φωτεινό μας κώνο στο μέλλον, θα χτυπήσει την επάνω οριζόντια σε ένα σημείο που βρίσκεται στην ίδια συνοδευτική απόσταση στην οποία ο κώνος από το άπειρο μέλλον τέμνει την οριζόντια μας ("τώρα"). Ή μπορούμε να πούμε αυτό: ο φωτεινός κώνος ενός σωματιδίου στον ορίζοντα γεγονότων θα διασχίσει τη γραμμή του κόσμου μας στο άπειρο μέλλον.

Το σχήμα 2β δείχνει ότι για τη συνοδευτική απόσταση ο ορίζοντας γεγονότων συρρικνώνεται. Και αυτό είναι κατανοητό. Σε ένα Σύμπαν που διαστέλλεται με επιταχυνόμενο ρυθμό, με την πάροδο του χρόνου γίνεται όλο και πιο δύσκολο για ένα σήμα να φτάσει σε μακρινούς γαλαξίες - αυτοί απομακρύνονται πολύ γρήγορα (και θα είναι ακόμα πιο γρήγοροι). Η συνοδευτική απόσταση από ένα σωματίδιο σε αυτόν τον ορίζοντα ορίζεται ως το γινόμενο της ταχύτητας του φωτός και του ολοκληρώματος από μια δεδομένη χρονική στιγμή μέχρι το «τέλος» (στο άπειρο), κάτω από το ολοκλήρωμα, όπως παραπάνω, dt"/R( t").

συμπέρασμα

«Αυτό είναι το ορατόριο, αδερφέ…»
(A. Gunitsky)

Παραπάνω προσπαθήσαμε να διευκρινίσουμε μερικά λεπτά σημεία που σχετίζονται με τη διαστολή του Σύμπαντος. Μπορούμε να παρατηρήσουμε (και παρατηρούμε) πηγές που, τόσο τη στιγμή της εκπομπής όσο και τώρα, έχουν ταχύτητα διαφυγής που υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός. Οι αποστάσεις από μακρινά αντικείμενα υπερβαίνουν το γινόμενο της ταχύτητας του φωτός και της ηλικίας του Σύμπαντος. Η απόσταση στην οποία η ταχύτητα διαφυγής συγκρίνεται με την ταχύτητα του φωτός δεν είναι ο ορίζοντας (δηλαδή το όριο του ορατού μέρους του Σύμπαντος) και δεν είναι καθόλου φυσική απόσταση (αντικείμενα ακριβώς μπροστά από αυτό το όριο και ακριβώς πίσω από αυτό δεν είναι θεμελιωδώς διαφορετικές, όπως ακριβώς και οι συνθήκες των παρατηρήσεών τους). Ο ορίζοντας του παρατηρήσιμου Σύμπαντος είναι ο ορίζοντας των σωματιδίων, στον οποίο οι πηγές έχουν άπειρες μετατοπίσεις στο κόκκινο.

Εκφράζω τη βαθιά μου ευγνωμοσύνη στους S. Blinnikov, P. Ivanov, M. Prokhorov για μια σειρά από πολύτιμα σχόλια.

Επί του παρόντος, σύμφωνα με αστρονομικές παρατηρήσεις, έχει διαπιστωθεί ότι Το σύμπαν είναι ομοιογενές σε μεγάλη κλίμακα, δηλ. Όλες οι περιοχές του από 300 εκατομμύρια έτη φωτός σε μέγεθος και περισσότερα φαίνονται ίδιες. Σε μικρότερη κλίμακα, υπάρχουν περιοχές στο Σύμπαν όπου βρίσκονται σμήνη γαλαξιών και, αντίθετα, κενά όπου υπάρχουν λίγα από αυτά.

Ένας γαλαξίας είναι ένα σύστημα αστεριών που έχουν κοινή προέλευση και συνδέονται με βαρυτικές δυνάμεις. Ο γαλαξίας στον οποίο βρίσκεται ο Ήλιος μας είναι ο Γαλαξίας

Οι αποστάσεις από τα ουράνια σώματα στην αστρονομία καθορίζονται διαφορετικά ανάλογα με το αν αυτά τα αντικείμενα βρίσκονται κοντά ή μακριά από τον πλανήτη μας. Στο διάστημα, οι ακόλουθες μονάδες χρησιμοποιούνται συνήθως για τη μέτρηση των αποστάσεων:

1 π.μ.( αστρονομική μονάδα) = (149597870 2) km;

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

1ο έτος ( έτος φωτός) = 0,307 pc = 9,5·10 μ. Έτος φωτός είναι η διαδρομή που διανύει το φως σε ένα έτος.

Αυτό το έγγραφο προτείνει μια μέθοδο για τον προσδιορισμό των αποστάσεων σε μακρινούς γαλαξίες χρησιμοποιώντας "κόκκινη μετατόπιση", π.χ. αυξάνοντας τα μήκη κύματος στο φάσμα της παρατηρούμενης μακρινής πηγής ακτινοβολίας σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μήκη κύματος των γραμμών στα τυπικά φάσματα.

Η πηγή φωτός αναφέρεται στην ακτινοβολία από μακρινούς γαλαξίες (τα φωτεινότερα αστέρια ή νεφελώματα αερίου και σκόνης σε αυτά). Κάτω από " μετατόπιση στο κόκκινο" - μια μετατόπιση των φασματικών γραμμών στα φάσματα των χημικών στοιχείων που αποτελούν αυτά τα αντικείμενα προς την πλευρά του μεγάλου μήκους κύματος (κόκκινη), σε σύγκριση με τα μήκη κύματος στα φάσματα των τυπικών στοιχείων στη Γη. Η «κόκκινη μετατόπιση» προκαλείται από το φαινόμενο Doppler.

Φαινόμενο Ντόπλερείναι ότι η ακτινοβολία που στέλνεται από μια πηγή που απομακρύνεται από έναν ακίνητο δέκτη θα ληφθεί από αυτόν ως μεγαλύτερο μήκος κύματος, σε σύγκριση με την ακτινοβολία από την ίδια ακίνητη πηγή. Εάν η πηγή πλησιάσει τον δέκτη, τότε το μήκος κύματος του καταγεγραμμένου σήματος, αντίθετα, θα μειωθεί.

Το 1924, ο Σοβιετικός φυσικός Alexander Friedman προέβλεψε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται. Τα διαθέσιμα επί του παρόντος δεδομένα δείχνουν ότι η εξέλιξη του Σύμπαντος ξεκίνησε από τη στιγμή Μεγάλη έκρηξη.Πριν από περίπου 15 δισεκατομμύρια χρόνια, το Σύμπαν ήταν ένα σημείο (λέγεται σημείο μοναδικότητας), στο οποίο, λόγω της ισχυρής βαρύτητας σε αυτό, της πολύ υψηλής θερμοκρασίας και της πυκνότητας, δεν ισχύουν οι γνωστοί νόμοι της φυσικής. Σύμφωνα με το επί του παρόντος αποδεκτό μοντέλο, το Σύμπαν άρχισε να διογκώνεται από το σημείο της μοναδικότητας με αυξανόμενη επιτάχυνση.

Το 1926, αποκτήθηκαν πειραματικά στοιχεία για τη διαστολή του Σύμπαντος. Ο Αμερικανός αστρονόμος E. Hubble, ενώ μελετούσε τα φάσματα των μακρινών γαλαξιών χρησιμοποιώντας ένα τηλεσκόπιο, ανακάλυψε την κόκκινη μετατόπιση των φασματικών γραμμών. Αυτό σήμαινε ότι οι γαλαξίες απομακρύνονταν ο ένας από τον άλλο και με ταχύτητα που αυξανόταν με την απόσταση. Το Hubble κατασκεύασε μια γραμμική σχέση μεταξύ της απόστασης και της ταχύτητας που σχετίζεται με το φαινόμενο Doppler ( ο νόμος του Hubble):

(1) , Οπου

r– απόσταση μεταξύ γαλαξιών.

v –ταχύτητα απομάκρυνσης των γαλαξιών.

Ν– Σταθερά Hubble. Εννοια Νεξαρτάται από το χρόνο που μεσολάβησε από την αρχή της διαστολής του Σύμπαντος μέχρι την παρούσα στιγμή και ποικίλλει στην περιοχή από 50 έως 100 km/s·Mpc. Στην αστροφυσική, κατά κανόνα, χρησιμοποιείται H = 75 km/s·Mpc. Η ακρίβεια του προσδιορισμού της σταθεράς Hubble είναι

0,5 km/s Mpc;

Με– ταχύτητα φωτός στο κενό.

Ζ– κόκκινη μετατόπιση μήκους κύματος, λεγόμενη. κοσμολογικός παράγοντας.

(2) , Οπου

– μήκος κύματος ακτινοβολίας που λαμβάνει ο δέκτης.

– μήκος κύματος ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το αντικείμενο.

Έτσι, μετρώντας τη μετατόπιση γραμμών, για παράδειγμα, ιονισμένου υδρογόνου (H+) στο ορατό τμήμα του φάσματος, είναι δυνατό για έναν γαλαξία που παρατηρείται από τη Γη να προσδιορίσει τη μετατόπισή του στο κόκκινο χρησιμοποιώντας τον τύπο (2) Ζκαι, χρησιμοποιώντας το νόμο του Hubble (1), υπολογίστε την απόσταση από αυτό ή την ταχύτητα αφαίρεσής του:

Εντολή εργασίας

1. Καλέστε το πρόγραμμα «Προσδιορισμός αποστάσεων προς γαλαξίες» στην επιφάνεια εργασίας του υπολογιστή. Στην οθόνη της οθόνης θα εμφανιστεί μια περιοχή του Σύμπαντος με εννέα διαφορετικούς γαλαξίες που παρατηρούνται από την επιφάνεια της Γης. Ένα φάσμα ορατού φωτός και ένας δείκτης μήκους κύματος για ιονισμένο υδρογόνο H+ εμφανίζονται στο επάνω μέρος της οθόνης.

2. Τοποθετήστε τον κέρσορα στον γαλαξία που υποδεικνύει ο δάσκαλος και κάντε κλικ στο πλήκτρο.

3. Καταγράψτε το μήκος κύματος και λ που εκπέμπεται από αυτόν τον γαλαξία καθώς απομακρύνεται.

Στη σχετική εγγύτητα του Γαλαξία μας, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν αρκετούς μικρούς γαλαξίες που τους έκαναν να αναρωτηθούν για τους νόμους της βαρύτητας που γνωρίζουν. Αυτοί οι γαλαξίες σχηματίζουν έναν ολόκληρο δακτύλιο με διάμετρο 10 εκατομμυρίων ετών φωτός και πετούν μακριά μας με τόσο μεγάλη ταχύτητα που οι επιστήμονες δεν μπορούν να βρουν μια σαφή εξήγηση για μια τόσο γρήγορη διαστολή.

Βρίσκοντας αναλογίες μεταξύ της ανακαλυφθείσας δομής και της Μεγάλης Έκρηξης, οι επιστήμονες είναι βέβαιοι ότι σχηματίστηκε και κέρδισε ταχύτητα λόγω της σύγκλισης του Γαλαξία και του γαλαξία της Ανδρομέδας στο μακρινό παρελθόν.

Το πρόβλημα είναι ένα: οι επιστήμονες δεν μπορούν να καταλάβουν γιατί, με μια τέτοια επέκταση, αυτοί οι μικροί γαλαξίες απέκτησαν τόσο υψηλή ταχύτητα.

«Εάν η θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν είναι σωστή, ο γαλαξίας μας δεν θα μπορούσε ποτέ να πλησιάσει αρκετά κοντά στην Ανδρομέδα για να εκτοξεύσει κάτι με τέτοια ταχύτητα», εξήγησε ο Zhao Hongsheng από το Πανεπιστήμιο του St. Andrews (Σκωτία), συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό. MNRAS .

Ο Ζάο και οι συνεργάτες του μελετούν τις κινήσεις αυτού του δακτυλίου μικρών γαλαξιών, οι οποίοι, μαζί με τον Γαλαξία και τον Γαλαξία της Ανδρομέδας, αποτελούν μέρος της λεγόμενης Τοπικής Ομάδας, η οποία περιλαμβάνει τουλάχιστον 54 γαλαξίες. Ο σπειροειδής γαλαξίας μας, ο Γαλαξίας μας και ο γειτονικός γαλαξίας της Ανδρομέδας χωρίζονται από 2,5 εκατομμύρια έτη φωτός, αλλά σε αντίθεση με τους περισσότερους γνωστούς γαλαξίες, ο γείτονάς μας δεν απομακρύνεται από εμάς, αλλά πετά προς εμάς με ταχύτητα μεγαλύτερη από 400 km/ μικρό.

Χρησιμοποιώντας το Καθιερωμένο Κοσμολογικό Μοντέλο (το λεγόμενο μοντέλο ΛCDM) στους υπολογισμούς τους, οι επιστήμονες προτείνουν ότι σε 3,75 δισεκατομμύρια χρόνια οι δύο γαλαξίες θα πρέπει να συγκρουστούν και μετά από άλλα πολλά δισεκατομμύρια χρόνια αυτή η σύγκρουση θα οδηγήσει σε σοβαρή καταστροφή τόσο των γαλαξιών όσο και του σχηματισμού ενός νέου. Αλλά αν αυτοί οι γαλαξίες πλησιάζουν ο ένας τον άλλον τώρα, θα μπορούσαν να είχαν πλησιάσει ο ένας τον άλλον στο παρελθόν;

Το 2013 η ομάδα του Ζάο προτείνεται, ότι πριν από 7-11 δισεκατομμύρια χρόνια ο Γαλαξίας και η Ανδρομέδα πετούσαν ήδη το ένα δίπλα στο άλλο σε πολύ κοντινή απόσταση.

Αυτό δημιούργησε σε αυτά κύματα «όπως τσουνάμι», χάρη στα οποία πετάχτηκαν έξω μικρότεροι γαλαξίες, οι οποίοι παρατηρούνται σήμερα να πετούν μακριά μας.

Παρόμοιες συγκλίσεις δύο γαλαξιών είναι γνωστές στους αστρονόμους (στην εικόνα της σημείωσης - η σύγκλιση των γαλαξιών NGC 5426 και NGC 5427). Ωστόσο, πετάνε πολύ γρήγορα. «Οι υψηλές γαλακτοκεντρικές ακτινικές ταχύτητες ορισμένων γαλαξιών της Τοπικής Ομάδας προκλήθηκαν από δυνάμεις που ενεργούν πάνω τους και τις οποίες το μοντέλο μας δεν λαμβάνει υπόψη», κατέληξαν στην εργασία. Επιπλέον, δεν υπάρχει αμφιβολία για το κοινό παρελθόν του Γαλαξία, της Ανδρομέδας και αυτών των διασκορπισμένων γαλαξιών, έστω και μόνο επειδή βρίσκονται περίπου στο ίδιο επίπεδο, υποστηρίζουν οι επιστήμονες.

«Η κατανομή σε σχήμα δακτυλίου είναι πολύ συγκεκριμένη. Αυτοί οι μικροί γαλαξίες μοιάζουν με σταγόνες βροχής που σκορπίζονται από μια περιστρεφόμενη ομπρέλα, εξήγησε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Indranil Banik.

«Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις μου, η πιθανότητα οι τυχαία κατανεμημένοι γαλαξίες να ευθυγραμμιστούν με αυτόν τον τρόπο είναι 1/640.

Ανίχνευσα την προέλευσή τους σε ένα δυναμικό γεγονός που συνέβη όταν το Σύμπαν ήταν στη μισή του ηλικία».

Το μοντέλο ΛCDM είναι ένα μοντέλο που λαμβάνει υπόψη την παρουσία στο Σύμπαν της συνηθισμένης (βαρυονικής ύλης, σκοτεινής ενέργειας, που περιγράφεται στις εξισώσεις του Αϊνστάιν ως σταθερά Λ) και της ψυχρής σκοτεινής ύλης.

Το πρόβλημα με το περιγραφόμενο σενάριο της επέκτασης των μικρών γαλαξιών δεν είναι μόνο η υποθετική παραβίαση του μοντέλου ΛCDM. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι μια τόσο στενή προσέγγιση του Γαλαξία και της Ανδρομέδας στο παρελθόν θα έπρεπε να είχε οδηγήσει στη συγχώνευσή τους, κάτι που, ως γνωστόν, δεν έγινε.

«Μια τόσο υψηλή ταχύτητα (της επέκτασης των γαλαξιών) απαιτεί 60 φορές περισσότερη αστρική μάζα από ό,τι βλέπουμε σήμερα στον Γαλαξία και την Ανδρομέδα. Ωστόσο, η τριβή που θα προέκυπτε μεταξύ του τεράστιου φωτοστέφανου της σκοτεινής ύλης στο κέντρο των γαλαξιών και αυτών των αστεριών θα οδηγούσε στη συγχώνευσή τους, αντί στον διαχωρισμό των 2,5 εκατομμυρίων ετών φωτός που συνέβη», εξήγησε ο Banik.

«Η επιστήμη εξελίσσεται μέσα από προκλήσεις», λέει ο Marcel Pawlowski, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Irvine. "Αυτό το γιγάντιο δαχτυλίδι αποτελεί μια σοβαρή πρόκληση για το τυπικό παράδειγμα."

Το επόμενο στάδιο στην οργάνωση της ύλης στο Σύμπαν είναι οι γαλαξίες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ο γαλαξίας μας, ο Γαλαξίας. Περιέχει περίπου 10 11 αστέρια και έχει σχήμα λεπτού δίσκου με πάχυνση στο κέντρο.
Στο Σχ. Το σχήμα 39 δείχνει σχηματικά τη δομή του Γαλαξία μας και δείχνει τη θέση του Ήλιου σε έναν από τους σπειροειδείς βραχίονες του γαλαξία.

Ρύζι. 39. Δομή του γαλαξία του Γαλαξία.

Στο Σχ. Το σχήμα 40 δείχνει την προβολή στο επίπεδο των 16 πλησιέστερων γειτόνων του γαλαξία μας.

Ρύζι. 40. 16 πλησιέστεροι γείτονες του Γαλαξία μας, που προβάλλονται σε ένα αεροπλάνο. LMC και MMC − Μεγάλα και Μικρά Σύννεφα Μαγγελάνου

Τα αστέρια στους γαλαξίες είναι άνισα κατανεμημένα.
Τα μεγέθη των γαλαξιών ποικίλλουν από 15 έως 800 χιλιάδες έτη φωτός. Η μάζα των γαλαξιών κυμαίνεται από 10 7 έως 10 12 ηλιακές μάζες. Η πλειονότητα των αστεριών και του ψυχρού αερίου είναι συγκεντρωμένα στους γαλαξίες. Τα αστέρια στους γαλαξίες συγκρατούνται από το συνδυασμένο βαρυτικό πεδίο του γαλαξία και της σκοτεινής ύλης.
Ο Γαλαξίας μας είναι ένα τυπικό σπειροειδές σύστημα. Τα αστέρια σε έναν γαλαξία, μαζί με τη γενική περιστροφή των γαλαξιών, έχουν επίσης τις δικές τους ταχύτητες σε σχέση με τον γαλαξία. Η τροχιακή ταχύτητα του Ήλιου στον γαλαξία μας είναι 230 km/s. Η ταχύτητα του Ήλιου σε σχέση με τον γαλαξία είναι
20 km/s.

Η ανακάλυψη του κόσμου των γαλαξιών ανήκει στον E. Hubble. Το 1923-1924, παρατηρώντας αλλαγές στη φωτεινότητα των Κηφείδων που βρίσκονται σε μεμονωμένα νεφελώματα, έδειξε ότι τα νεφελώματα που ανακάλυψε ήταν γαλαξίες που βρίσκονται έξω από τον γαλαξία μας, τον Γαλαξία μας. Συγκεκριμένα, ανακάλυψε ότι το νεφέλωμα της Ανδρομέδας είναι ένα άλλο αστρικό σύστημα - ένας γαλαξίας που δεν είναι μέρος του Γαλαξία μας. Το νεφέλωμα της Ανδρομέδας είναι ένας σπειροειδής γαλαξίας που βρίσκεται σε απόσταση 520 kpc. Το εγκάρσιο μέγεθος του νεφελώματος της Ανδρομέδας είναι 50 kpc.
Μελετώντας τις ακτινικές ταχύτητες μεμονωμένων γαλαξιών, το Hubble έκανε μια αξιοσημείωτη ανακάλυψη:

H = 73,8 ± 2,4 km sec -1 megaparsec -1 – Παράμετρος Hubble.

Ρύζι. 41. Πρωτότυπο γράφημα Hubble από έργο του 1929.

Ρύζι. 42. Η ταχύτητα απομάκρυνσης των γαλαξιών ανάλογα με την απόσταση από τη Γη.

Στο Σχ. 42 στην αρχή των συντεταγμένων το τετράγωνο δείχνει την περιοχή των ταχυτήτων των γαλαξιών και τις αποστάσεις από αυτούς, βάσει των οποίων ο E. Hubble εξήγαγε τη σχέση (9).
Η ανακάλυψη του Hubble είχε μια ιστορία. Το 1914, ο αστρονόμος V. Slipher έδειξε ότι το νεφέλωμα της Ανδρομέδας και πολλά άλλα νεφελώματα κινούνται σε σχέση με το ηλιακό σύστημα με ταχύτητες περίπου 1000 km/h. Ο E. Hubble, που εργαζόταν στο μεγαλύτερο τηλεσκόπιο του κόσμου με κύριο κάτοπτρο διαμέτρου 2,5 m στο Παρατηρητήριο Mount Wilson στην Καλιφόρνια (ΗΠΑ), κατάφερε για πρώτη φορά να αναλύσει μεμονωμένα αστέρια στο νεφέλωμα της Ανδρομέδας. Μεταξύ αυτών των αστεριών ήταν τα αστέρια των Κηφείδων, για τα οποία είναι γνωστή η σχέση μεταξύ της περιόδου αλλαγής της φωτεινότητας και της φωτεινότητας.
Γνωρίζοντας τη φωτεινότητα του άστρου και την ταχύτητα του άστρου, ο E. Hubble έλαβε την εξάρτηση της ταχύτητας απομάκρυνσης των άστρων από το Ηλιακό Σύστημα ανάλογα με την απόσταση. Στο Σχ. 41 δείχνει ένα γράφημα από το αρχικό έργο του E. Hubble.

Ρύζι. 43. Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble

Η ακτινική ταχύτητα κίνησης των ουράνιων αντικειμένων -αστέρων, γαλαξιών- καθορίζεται με τη μέτρηση της αλλαγής στη συχνότητα των φασματικών γραμμών. Καθώς η πηγή ακτινοβολίας απομακρύνεται από τον παρατηρητή, τα μήκη κύματος μετατοπίζονται προς μεγαλύτερα μήκη κύματος (μετατόπιση κόκκινου). Καθώς η πηγή ακτινοβολίας πλησιάζει τον παρατηρητή, τα μήκη κύματος μετατοπίζονται προς μικρότερα μήκη κύματος (μπλε μετατόπιση). Αυξάνοντας το πλάτος της κατανομής της φασματικής γραμμής, μπορεί να προσδιοριστεί η θερμοκρασία του αντικειμένου που εκπέμπει.
Το Hubble χώρισε τους γαλαξίες ανάλογα με την εμφάνισή τους σε τρεις μεγάλες κατηγορίες:

ελλειπτικό (Ε),

σπείρα (S),

ακανόνιστος (Ir).

Ρύζι. 44. Τύποι γαλαξιών (σπειροειδείς, ελλειπτικοί, ακανόνιστοι).

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των σπειροειδών γαλαξιών είναι οι σπειροειδείς βραχίονες που εκτείνονται από το κέντρο σε όλο τον αστρικό δίσκο.
Οι ελλειπτικοί γαλαξίες είναι συστήματα χωρίς δομή ελλειπτικού σχήματος.
Οι ακανόνιστοι γαλαξίες έχουν μια εξωτερικά χαοτική, συμπαγή δομή και δεν έχουν κάποιο συγκεκριμένο σχήμα.
Αυτή η ταξινόμηση των γαλαξιών αντανακλά όχι μόνο τα εξωτερικά τους σχήματα, αλλά και τις ιδιότητες των αστεριών μέσα τους.
Οι ελλειπτικοί γαλαξίες αποτελούνται κυρίως από παλιά αστέρια. Στους ακανόνιστους γαλαξίες, η κύρια συμβολή στην ακτινοβολία προέρχεται από αστέρια νεότερα από τον Ήλιο. Αστέρια όλων των ηλικιών βρίσκονται σε σπειροειδείς γαλαξίες. Έτσι, η διαφορά στην εμφάνιση των γαλαξιών καθορίζεται από τη φύση της εξέλιξής τους. Στους ελλειπτικούς γαλαξίες, ο σχηματισμός αστεριών ουσιαστικά σταμάτησε πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Στους σπειροειδείς γαλαξίες, ο σχηματισμός αστεριών συνεχίζεται. Σε ακανόνιστους γαλαξίες, ο σχηματισμός άστρων συμβαίνει τόσο έντονα όσο πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Σχεδόν όλα τα αστέρια είναι συγκεντρωμένα σε έναν φαρδύ δίσκο, ο κύριος όγκος του οποίου είναι διαστρικό αέριο.
Ο Πίνακας 19 δείχνει μια σχετική σύγκριση αυτών των τριών τύπων γαλαξιών και μια σύγκριση των ιδιοτήτων τους με βάση την ανάλυση του E. Hubble.

Πίνακας 19