Galaktikos skrenda viena nuo kitos. Saulės ir galaktikos judėjimo greitis visatoje
Šiuo metu, remiantis astronominiais stebėjimais, nustatyta, kad Visata dideliu mastu yra vienalytė, t.y. visi jo regionai nuo 300 milijonų šviesmečių ir daugiau atrodo vienodai. Mažesniu mastu Visatoje yra regionų, kuriuose randama galaktikų spiečių ir, atvirkščiai, tuštumų, kur jų mažai.
Galaktika yra žvaigždžių, turinčių bendrą kilmę ir sujungtų gravitacinių jėgų, sistema. Galaktika, kurioje yra mūsų Saulė, yra Paukščių Takas
Atstumai iki dangaus kūnai astronomijoje apibrėžiami skirtingai, priklausomai nuo to, ar šie objektai yra arti ar toli nuo mūsų planetos. Kosmose atstumams matuoti dažniausiai naudojami šie vienetai:
1 a.u. ( astronominis vienetas) = (149597870 2) km;
1 vnt ( parsec) = 206265 a.u. = 3,086·10 m;
1 metai ( šviesmetis) = 0,307 vnt = 9,5·10 m Šviesmetis yra kelias, kurį šviesa nukeliauja per metus.
Šiame darbe siūlomas atstumų iki tolimų galaktikų nustatymo metodas naudojant „raudonąjį poslinkį“, t.y. padidinus stebimo tolimo spinduliuotės šaltinio spektro bangos ilgius, lyginant su atitinkamų linijų bangų ilgiais standartiniuose spektruose.
Šviesos šaltiniu turime omenyje tolimų galaktikų spinduliuotę (dauguma ryškios žvaigždės arba juose esantys dujų ir dulkių ūkai). Pagal " raudonasis poslinkis» - spektro linijų poslinkis spektruose cheminiai elementai, iš kurių šie objektai yra sudaryti, ilgesnio bangos ilgio (raudona) kryptimi, palyginti su bangų ilgiais Žemės pamatinių elementų spektruose. „Raudonąjį poslinkį“ sukelia Doplerio efektas.
Doplerio efektas yra tai, kad spinduliuotę, kurią siunčia šaltinis, tolstantis nuo stacionaraus imtuvo, jis priims kaip ilgesnį bangos ilgį, palyginti su spinduliuote iš to paties stacionaraus šaltinio. Jei šaltinis artėja prie imtuvo, įrašyto signalo bangos ilgis, priešingai, sumažės.
1924 metais sovietų fizikas Aleksandras Fridmanas išpranašavo, kad Visata plečiasi. Šiuo metu turimi duomenys rodo, kad Visatos evoliucija prasidėjo nuo to momento Didysis sprogimas. Maždaug prieš 15 milijardų metų Visata buvo taškas (jis vadinamas singuliarumo taškas), prie kurios dėl jame esančios stiprios gravitacijos labai aukšta temperatūra ir tankis, žinomi fizikos dėsniai netaikomi. Pagal šiuo metu priimtą modelį Visata pradėjo pūsti nuo singuliarumo taško, didėjant pagreičiui.
1926 metais buvo gauti eksperimentiniai Visatos plėtimosi įrodymai. Amerikiečių astronomas E. Hablas, teleskopu tirdamas tolimų galaktikų spektrus, aptiko raudonąjį spektrinių linijų poslinkį. Tai reiškė, kad galaktikos tolsta viena nuo kitos ir greičiu, didėjančiu atstumu. Hablas sukūrė tiesinį ryšį tarp atstumo ir greičio, susietą su Doplerio efektu ( Hablo dėsnis):
(1) , Kur
r– atstumas tarp galaktikų;
v – galaktikų pašalinimo greitis;
N– Hablo konstanta. Reikšmė N priklauso nuo laiko, praėjusio nuo Visatos plėtimosi pradžios iki dabarties momento, ir svyruoja nuo 50 iki 100 km/s·Mpc. Astrofizikoje, kaip taisyklė, naudojamas H = 75 km/s·Mpc. Hablo konstantos nustatymo tikslumas yra
0,5 km/s Mpc;
Su– šviesos greitis vakuume;
Z– raudonasis bangos ilgio poslinkis, vadinamasis. kosmologinis veiksnys.
(2) , Kur
– imtuvo gaunamos spinduliuotės bangos ilgis;
– objekto skleidžiamos spinduliuotės bangos ilgis.
Taigi, matuojant linijų, pavyzdžiui, jonizuoto vandenilio (H+) poslinkį matomoje spektro dalyje, iš Žemės stebima galaktika gali nustatyti savo raudonąjį poslinkį pagal (2) formulę. Z ir pagal Hablo dėsnį (1) apskaičiuokite atstumą iki jo arba jo pašalinimo greitį:
Darbo tvarka
1. Kompiuterio darbalaukyje iškvieskite programą „Atstumų iki galaktikų nustatymas“. Monitoriaus ekrane atsiras Visatos sritis su devyniomis skirtingomis galaktikomis, stebimomis iš Žemės paviršiaus. Ekrano viršuje pasirodo matomos šviesos spektras ir bangos ilgio žymeklis jonizuoto vandenilio H+.
2. Užveskite žymeklį ant mokytojo nurodytos galaktikos ir spustelėkite klavišą.
3. Užrašykite bangos ilgį ir λ kurią skleidžia ši galaktika jai tolstant.
Labai rekomenduojame su juo susitikti. Ten rasite daug naujų draugų. Be to, tai greičiausias ir efektyviausias būdas susisiekti su projektų administratoriais. Skyrius Antivirusiniai naujinimai veikia ir toliau – visada naujausi nemokami Dr Web ir NOD naujinimai. Neturėjai laiko ko nors perskaityti? Visą stulpelio turinį rasite šioje nuorodoje.
Šiame straipsnyje nagrinėjamas Saulės ir Galaktikos judėjimo greitis, palyginti su skirtingomis atskaitos sistemomis:
Saulės judėjimo galaktikoje greitis, palyginti su netoliese esančiomis žvaigždėmis, matomomis žvaigždėmis ir Paukščių Tako centru;
Galaktikos judėjimo greitis vietinės galaktikų grupės, tolimų žvaigždžių spiečių ir kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės atžvilgiu.
Trumpas Paukščių Tako galaktikos aprašymas.
Galaktikos aprašymas.
Prieš pradėdami tyrinėti Saulės ir Galaktikos judėjimo Visatoje greitį, pažvelkime į mūsų Galaktiką atidžiau.
Mes tarsi gyvename milžiniškame „žvaigždžių mieste“. Tiksliau, mūsų Saulė jame „gyvena“. Šio „miesto“ gyventojų yra daugybė žvaigždžių, o jame „gyvena“ daugiau nei du šimtai milijardų. Jame gimsta begalė saulių, išgyvena jaunystę, vidutinį amžių ir senatvę – jos išgyvena ilgą ir sunkų gyvenimo kelias, trunkantis milijardus metų.
Šio „žvaigždžių miesto“ – Galaktikos – dydis yra milžiniškas. Atstumai tarp gretimų žvaigždžių yra vidutiniškai tūkstančiai milijardų kilometrų (6*1013 km). O tokių kaimynų yra per 200 milijardų.
Jei šviesos greičiu (300 000 km/sek.) skubėtume iš vieno Galaktikos galo į kitą, tai užtruktų apie 100 tūkst.
Visa mūsų žvaigždžių sistema sukasi lėtai, kaip milžiniškas ratas, sudarytas iš milijardų saulių.
Saulės orbita
Galaktikos centre, matyt, yra supermasyvas juodoji skylė(Sagittarius A*) (apie 4,3 mln. Saulės masių), aplink kurią, tikėtina, sukasi juodoji skylė, kurios vidutinė masė yra nuo 1000 iki 10 000 Saulės masių, o orbitos laikotarpis yra apie 100 metų ir keli tūkstančiai santykinai mažų. Jų bendras gravitacinis poveikis kaimyninėms žvaigždėms sukelia pastarųjų judėjimą neįprastomis trajektorijomis. Yra prielaida, kad daugumos galaktikų šerdyje yra supermasyvių juodųjų skylių.
Centriniams Galaktikos regionams būdinga stipri žvaigždžių koncentracija: kiekviename kubiniame parseke, esančiame netoli centro, jų yra daug tūkstančių. Atstumai tarp žvaigždžių yra dešimtis ir šimtus kartų mažesni nei Saulės apylinkėse.
Galaktikos šerdis su didžiule jėga pritraukia visas kitas žvaigždes. Tačiau daugybė žvaigždžių yra išsibarstę visame „žvaigždžių mieste“. Ir jie taip pat traukia vienas kitą įvairiomis kryptimis, ir tai turi sudėtingą poveikį kiekvienos žvaigždės judėjimui. Todėl Saulė ir milijardai kitų žvaigždžių paprastai juda apskritimais arba elipsėmis aplink Galaktikos centrą. Bet tai tik „dažniausiai“ – jei atidžiai pažiūrėtume, pamatytume, kad jie juda sudėtingesnėmis kreivėmis, vingiuojančiais takais tarp aplinkinių žvaigždžių.
Paukščių tako galaktikos ypatybės:
Saulės vieta galaktikoje.
Kur yra Saulė galaktikoje ir ar ji juda (o kartu su ja ir Žemė, ir tu, ir aš)? Ar esame „miesto centre“ ar bent kur nors netoli jo? Tyrimai parodė, kad saulė ir saulės sistema esantis didžiuliu atstumu nuo Galaktikos centro, arčiau „miesto pakraščių“ (26 000 ± 1 400 šviesmečių).
Saulė yra mūsų galaktikos plokštumoje ir yra nutolusi nuo savo centro 8 kpc, o nuo galaktikos plokštumos maždaug per 25 pc (1 pc (parsec) = 3,2616). šviesmečiai). Galaktikos srityje, kurioje yra Saulė, žvaigždžių tankis yra 0,12 žvaigždės viename pc3.
Mūsų galaktikos modelis
Saulės judėjimo galaktikoje greitis.
Saulės judėjimo greitis galaktikoje paprastai vertinamas atsižvelgiant į skirtingas atskaitos sistemas:
Lyginant su netoliese esančiomis žvaigždėmis.
Lyginant su visomis plika akimi matomomis ryškiomis žvaigždėmis.
Dėl tarpžvaigždinių dujų.
Palyginti su Galaktikos centru.
1. Saulės judėjimo greitis Galaktikoje artimiausių žvaigždžių atžvilgiu.
Kaip skraidančio lėktuvo greitis vertinamas Žemės atžvilgiu, neatsižvelgiant į pačios Žemės skrydį, taip ir Saulės greitį galima nustatyti arčiausiai jos esančių žvaigždžių atžvilgiu. Tokios kaip Sirijaus sistemos žvaigždės, Alfa Kentauro ir kt.
Toks Saulės judėjimo greitis Galaktikoje yra palyginti mažas: tik 20 km/s arba 4 AU. (1 astronominis vienetas lygus vidutiniam atstumui nuo Žemės iki Saulės – 149,6 mln. km.)
Saulė, palyginti su artimiausiomis žvaigždėmis, juda link taško (viršūnės), esančio Heraklio ir Lyros žvaigždynų ribose, maždaug 25° kampu Galaktikos plokštumos atžvilgiu. Viršūnės pusiaujo koordinatės = 270°, = 30°.
2. Saulės judėjimo greitis Galaktikoje, palyginti su matomomis žvaigždėmis.
Jei svarstysime Saulės judėjimą Galaktikoje Paukščių Takas palyginti su visomis be teleskopo matomomis žvaigždėmis, jo greitis dar mažesnis.
Saulės judėjimo greitis Galaktikoje matomų žvaigždžių atžvilgiu yra 15 km/s arba 3 AU.
Saulės judėjimo viršūnė šiuo atveju taip pat yra Heraklio žvaigždyne ir turi šias pusiaujo koordinates: = 265°, = 21°.
Saulės greitis, palyginti su netoliese esančiomis žvaigždėmis ir tarpžvaigždinėmis dujomis
3. Saulės judėjimo greitis Galaktikoje tarpžvaigždinių dujų atžvilgiu.
Kitas galaktikos objektas, kurio atžvilgiu nagrinėsime Saulės judėjimo greitį, yra tarpžvaigždinės dujos.
Visatos platybės nė iš tolo nėra tokios apleistos, kaip buvo manyta ilgą laiką. Nors ir nedideliais kiekiais, tarpžvaigždinių dujų yra visur, užpildančių visus visatos kampelius. Tarpžvaigždinės dujos, nepaisant akivaizdžios neužpildytos Visatos erdvės tuštumos, sudaro beveik 99% visos kosminių objektų masės. Tankios ir šaltos tarpžvaigždinių dujų formos, turinčios vandenilio, helio ir minimalų kiekį sunkiųjų elementų (geležies, aliuminio, nikelio, titano, kalcio), yra molekulinės būsenos, susijungiančios į didžiulius debesų laukus. Paprastai elementai tarpžvaigždinėse dujose pasiskirsto taip: vandenilis - 89%, helis - 9%, anglis, deguonis, azotas - apie 0,2-0,3%.
Dujų ir dulkių debesis IRAS 20324+4057 tarpžvaigždinių dujų ir dulkių yra 1 šviesmečio ilgio, panašus į buožgalvį, kuriame slepiasi auganti žvaigždė
Tarpžvaigždinių dujų debesys gali ne tik tvarkingai suktis aplink galaktikos centrus, bet ir turėti nestabilų pagreitį. Per keliasdešimt milijonų metų jie pasiveja vienas kitą ir susiduria, sudarydami dulkių ir dujų kompleksus.
Mūsų galaktikoje didžioji dalis tarpžvaigždinių dujų yra sutelkta spiralinėse atšakose, kurių vienas iš koridorių yra netoli Saulės sistemos.
Saulės greitis galaktikoje tarpžvaigždinių dujų atžvilgiu: 22-25 km/sek.
Tarpžvaigždinės dujos, esančios šalia Saulės, turi didelį vidinį greitį (20-25 km/s), palyginti su artimiausiomis žvaigždėmis. Jo įtakoje Saulės judėjimo viršūnė pasislenka link Ophiuchus žvaigždyno (= 258°, = -17°). Judėjimo krypties skirtumas yra apie 45°.
4. Saulės judėjimo greitis Galaktikoje Galaktikos centro atžvilgiu.
Trijuose aukščiau aptartuose punktuose mes kalbame apie apie vadinamąjį savitą, santykinį Saulės greitį. Kitaip tariant, ypatingas greitis yra greitis, palyginti su kosmine atskaitos sistema.
Tačiau Saulė, arčiausiai jos esančios žvaigždės ir vietinis tarpžvaigždinis debesis kartu dalyvauja didesniame judėjime – judėjime aplink Galaktikos centrą.
O čia kalba eina apie visiškai skirtingus greičius.
Saulės greitis aplink Galaktikos centrą žemiškais standartais yra milžiniškas – 200-220 km/s (apie 850 000 km/h) arba daugiau nei 40 AU. / metai.
Tikslaus Saulės greičio aplink Galaktikos centrą nustatyti neįmanoma, nes Galaktikos centras nuo mūsų slepiasi už tankių tarpžvaigždinių dulkių debesų. Tačiau vis daugiau naujų atradimų šioje srityje mažina numatomą mūsų saulės greitį. Visai neseniai jie kalbėjo apie 230-240 km/sek.
Saulės sistema galaktikoje juda Cygnus žvaigždyno link.
Saulės judėjimas galaktikoje vyksta statmenai krypčiai link galaktikos centro. Taigi galaktikos viršūnės koordinatės: l = 90°, b = 0° arba žinomesnėse pusiaujo koordinatėse - = 318°, = 48°. Kadangi tai yra apsisukimo judėjimas, viršūnė juda ir užbaigia visą ratą „galaktiniais metais“, maždaug 250 milijonų metų; jo kampinis greitis ~5"/1000 metų, t.y. viršūnės koordinatės pasislenka pusantro laipsnio per milijoną metų.
Mūsų Žemei yra apie 30 tokių „galaktinių metų“.
Saulės judėjimo greitis galaktikoje, palyginti su galaktikos centru
Beje, įdomus faktas apie Saulės greitį galaktikoje:
Saulės sukimosi aplink Galaktikos centrą greitis beveik sutampa su tankinimo bangos, sudarančios spiralę, greičiu. Ši situacija netipiška visai galaktikai: spiralės svirties sukasi pastoviu kampiniu greičiu, kaip rato stipinai, o žvaigždžių judėjimas vyksta pagal skirtingą modelį, todėl beveik visa disko žvaigždžių populiacija arba krenta. spiralinių rankų viduje arba iškrenta iš jų. Vienintelė vieta, kur žvaigždžių ir spiralių greičiai sutampa, yra vadinamasis vainikinis ratas, ir būtent jame yra Saulė.
Žemei ši aplinkybė yra nepaprastai svarbi, nes spiralinėse rankose vyksta audringi procesai, generuojantys galingą spinduliuotę, naikinančią visus gyvus dalykus. Ir jokia atmosfera negalėjo nuo to apsaugoti. Tačiau mūsų planeta egzistuoja gana ramioje Galaktikos vietoje ir nebuvo paveikta šių kosminių kataklizmų šimtus milijonų (ar net milijardus) metų. Galbūt todėl gyvybė galėjo atsirasti ir išlikti Žemėje.
Galaktikos judėjimo greitis Visatoje.
Galaktikos judėjimo greitis Visatoje paprastai vertinamas atsižvelgiant į skirtingas atskaitos sistemas:
Vietinės galaktikų grupės atžvilgiu (priartėjimo greitis su Andromedos galaktika).
Tolimųjų galaktikų ir galaktikų grupių atžvilgiu (Galaktikos, kaip vietinės galaktikų grupės dalies, judėjimo Mergelės žvaigždyno link, greitis).
Kalbant apie kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę (visų galaktikų judėjimo greitį mums artimiausioje Visatos dalyje link Didžiojo Attraktoriaus – didžiulių supergalaktikų spiečiaus).
Pažvelkime atidžiau į kiekvieną iš punktų.
1. Paukščių Tako galaktikos judėjimo Andromedos link greitis.
Mūsų Paukščių Tako galaktika taip pat nestovi vietoje, o yra traukiama gravitacijos ir artėja prie Andromedos galaktikos 100-150 km/s greičiu. Pagrindinis galaktikų artėjimo greičio komponentas priklauso Paukščių Takui.
Šoninis judesio komponentas nėra tiksliai žinomas, o susirūpinimas dėl susidūrimo yra per anksti. Papildomą indėlį į šį judėjimą įneša didžiulė galaktika M33, esanti maždaug ta pačia kryptimi kaip ir Andromedos galaktika. Apskritai, mūsų Galaktikos judėjimo greitis vietinės galaktikų grupės baricentro atžvilgiu yra maždaug 100 km/sek Andromedos/Driežo kryptimi (l = 100, b = -4, = 333, = 52), tačiau šie duomenys vis dar labai apytiksliai. Tai labai kuklus santykinis greitis: Galaktika pasikeičia į savo skersmenį per du ar tris šimtus milijonų metų arba, labai apytiksliai, per galaktikos metus.
2. Paukščių Tako galaktikos judėjimo Mergelės spiečiaus link greitis.
Savo ruožtu galaktikų grupė, apimanti mūsų Paukščių Taką, kaip vientisą visumą, juda link didelio Mergelės spiečių 400 km/s greičiu. Šį judėjimą taip pat sukelia gravitacinės jėgos ir jis vyksta tolimųjų galaktikų spiečių atžvilgiu.
Paukščių Tako galaktikos greitis Mergelės spiečiaus link
3. Galaktikos judėjimo Visatoje greitis. Didžiajam patraukliajam!
CMB spinduliuotė.
Pagal Didžiojo sprogimo teoriją, ankstyvoji visata buvo karšta plazma, susidedanti iš elektronų, barionų ir nuolat skleidžiamų, sugertų ir pakartotinai skleidžiamų fotonų.
Visatai plečiantis, plazma atvėso ir tam tikrame etape sulėtėję elektronai sugebėjo jungtis su sulėtėjusiais protonais (vandenilio branduoliais) ir alfa dalelėmis (helio branduoliais), sudarydami atomus (šis procesas vadinamas rekombinacija).
Tai įvyko esant maždaug 3000 K plazmos temperatūrai ir apytiksliai 400 000 metų Visatos amžiui. Tarp dalelių buvo daugiau laisvos erdvės, mažiau įkrautų dalelių, fotonai nustojo taip dažnai sklaidytis ir dabar galėjo laisvai judėti erdvėje, praktiškai nesąveikaujant su medžiaga.
Tie fotonai, kuriuos tuo metu plazma išskleidė būsimos Žemės vietos link, iki šiol mūsų planetą pasiekia per toliau besiplečiančią visatos erdvę. Šie fotonai sudaro kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę, kuri yra šiluminė spinduliuotė, tolygiai užpildanti Visatą.
Kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės egzistavimą teoriškai numatė G. Gamow teorijos rėmuose. didysis sprogimas. Jo egzistavimas buvo eksperimentiškai patvirtintas 1965 m.
Galaktikos judėjimo greitis kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės atžvilgiu.
Vėliau pradėtas tyrinėti galaktikų judėjimo greitis kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės atžvilgiu. Šis judėjimas nustatomas matuojant kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės skirtingomis kryptimis temperatūros netolygumus.
Spinduliuotės temperatūra turi maksimumą judėjimo kryptimi ir minimumą priešinga kryptimi. Temperatūros pasiskirstymo nuo izotropinio (2,7 K) nuokrypio laipsnis priklauso nuo greičio. Iš stebėjimų duomenų analizės matyti, kad Saulė juda CMB atžvilgiu 400 km/s greičiu =11,6, =-12 kryptimi.
Tokie matavimai parodė ir kitą svarbų dalyką: visos galaktikos, esančios arčiausiai mūsų Visatos dalyje, įskaitant ne tik mūsų Vietinė grupė, bet ir Mergelės spiečius bei kiti klasteriai, palyginti su fono CMB, juda netikėtai dideliu greičiu.
Vietinės galaktikų grupės greitis yra 600–650 km/sek., kurio viršūnė yra Hidros (=166, =-27) žvaigždyne. Panašu, kad kažkur Visatos gelmėse yra didžiulis daugybės superspiečių spiečius, traukiantis materiją iš mūsų Visatos dalies. Šis klasteris buvo pavadintas Didysis pritraukėjas- nuo Angliškas žodis„pritraukti“ – pritraukti.
Kadangi galaktikos, sudarančios Didįjį Attraktorių, yra paslėptos tarpžvaigždinių dulkių, kurios yra Paukščių Tako dalis, Atraktoriaus žemėlapis buvo įmanomas tik m. pastaraisiais metais naudojant radijo teleskopus.
Didysis pritraukėjas yra kelių galaktikų superspiečių sankirtoje. Vidutinis medžiagos tankis šiame regione nėra daug didesnis už vidutinį Visatos tankį. Tačiau dėl savo milžiniško dydžio jo masė pasirodo tokia didelė, o traukos jėga tokia milžiniška, kad ne tik mūsų žvaigždžių sistema, bet ir kitos netoliese esančios galaktikos bei jų spiečiai juda Didžiojo Attraktoriaus kryptimi, sudarydami didžiulę. galaktikų srautas.
Galaktikos judėjimo greitis Visatoje. Didžiajam patraukliajam!
Taigi, apibendrinkime.
Saulės judėjimo greitis galaktikoje ir galaktikos Visatoje. Sukamoji lentelė.
Judėjimų, kuriuose dalyvauja mūsų planeta, hierarchija:
Žemės sukimasis aplink Saulę;
Sukimasis su Saule aplink mūsų Galaktikos centrą;
Judėjimas vietinės galaktikų grupės centro atžvilgiu kartu su visa galaktika, veikiamas Andromedos žvaigždyno (galaktika M31) gravitacinio traukos;
Judėjimas link galaktikų spiečiaus Mergelės žvaigždyne;
Judėjimas link Didžiojo patrauklaus.
Saulės judėjimo greitis galaktikoje ir Paukščių Tako galaktikos judėjimo greitis Visatoje. Sukamoji lentelė.
Sunku įsivaizduoti, o dar sunkiau apskaičiuoti, kiek nukeliaujame kas sekundę. Šie atstumai milžiniški, o tokių skaičiavimų paklaidos vis dar gana didelės. Tai duomenų mokslas šiandien.
Net astronomai ne visada teisingai supranta Visatos plėtimąsi. Pripučiamas balionas yra sena, bet gera visatos plėtimosi analogija. Rutulio paviršiuje išsidėsčiusios galaktikos yra nejudančios, tačiau plečiantis Visatai atstumas tarp jų didėja, tačiau pačių galaktikų dydis nedidėja.
1965 m. liepą mokslininkai paskelbė apie atradimą akivaizdžių ženklų Visatos plėtimasis iš karštesnės ir tankesnės pradinės būsenos. Jie rado vėsinantį Didžiojo sprogimo atšvaitą – reliktinę radiaciją. Nuo to momento Visatos plėtimasis ir vėsimas sudarė kosmologijos pagrindą. Kosmologinė plėtra leidžia suprasti, kaip jie susiformavo paprastos konstrukcijos ir kaip jie palaipsniui išsivystė į sudėtingus. Praėjus 75 metams po Visatos plėtimosi atradimo, daugelis mokslininkų negali suprasti tikrosios jos prasmės. Prinstono universiteto kosmologas Jamesas Peeblesas, tyrinėjantis kosminę mikrobangų foninę spinduliuotę, 1993 m. rašė: „Man atrodo, kad net ekspertai nežino, kokia yra karšto Didžiojo sprogimo modelio reikšmė ir galimybės“.
Žinomi fizikai, astronomijos vadovėlių autoriai ir mokslo populiarintojai kartais pateikia neteisingą ar iškreiptą Visatos plėtimosi interpretaciją, kuri ir buvo Didžiojo sprogimo modelio pagrindas. Ką turime omenyje sakydami, kad Visata plečiasi? Neabejotinai nerimą kelia tai, kad dabar kalbama apie spartėjančią plėtrą, ir tai mus glumina.
APŽVALGA: KOSMINIS NESUpratimas
* Visatos plėtimasis yra viena iš pagrindinių sąvokų šiuolaikinis mokslas– vis dar sulaukia įvairių interpretacijų.
* Sąvoka „Didysis sprogimas“ neturėtų būti suprantama pažodžiui. Jis nebuvo bomba, kuri sprogo visatos centre. Tai buvo pats erdvės sprogimas, kuris įvyko visur, lygiai taip pat, kai plečiasi pripūsto baliono paviršius.
* Suprasti skirtumą tarp erdvės plėtimosi ir plėtimosi erdvėje yra labai svarbu norint suprasti Visatos dydį, greitį, kuriuo galaktikų tolsta, taip pat astronominių stebėjimų galimybes ir plėtimosi pagreičio pobūdį, kurį tikėtina Visata. patiriantis.
* Didžiojo sprogimo modelis tik apibūdina tai, kas įvyko po jo.
Kas yra pratęsimas?
Kai kažkas pažįstamo plečiasi, pavyzdžiui, drėgna vieta ar Romos imperija, jie tampa didesni, plečiasi jų ribos ir pradeda užimti daugiau vietos. Tačiau atrodo, kad Visata neturi fizinių ribų ir jai nėra kur judėti. Mūsų Visatos plėtimasis labai panašus į baliono pripūtimą. Didėja atstumai iki tolimų galaktikų. Paprastai astronomai sako, kad galaktikos tolsta arba bėga nuo mūsų, bet jos nejuda erdvėje, kaip „Didžiojo sprogimo bombos“ fragmentai. Iš tikrųjų erdvė tarp mūsų ir galaktikų, chaotiškai judančių praktiškai nejudančių spiečių viduje, plečiasi. CMB užpildo Visatą ir tarnauja kaip atskaitos sistema, kaip baliono guminis paviršius, pagal kurį galima išmatuoti judesį.
Už rutulio ribų matome, kad jo lenkto dvimačio paviršiaus išsiplėtimas įmanomas tik todėl, kad jis yra trimatėje erdvėje. Trečiojoje dimensijoje yra rutulio centras, o jo paviršius išsiplečia į jį supantį tūrį. Remiantis tuo, galima daryti išvadą, kad mūsų trimačio pasaulio plėtrai reikalingas ketvirtojo matmens buvimas erdvėje. Tačiau pagal bendroji teorija Pagal Einšteino reliatyvumo teoriją erdvė yra dinamiška: ji gali plėstis, trauktis ir lenktis.
Eismo kamštis
Visata yra savarankiška. Iš jo plėstis nereikia nei centro, nei laisvos erdvės išorėje (kad ir kur ji būtų), kad ten plėstųsi. Tiesa, kai kurie naujausios teorijos, pavyzdžiui, stygų teorija, postuluoja papildomų matmenų buvimą, tačiau jie nėra būtini, nes plečiasi mūsų trimatė visata.
Mūsų Visatoje, kaip ir ant baliono paviršiaus, kiekvienas objektas tolsta nuo visų kitų. Taigi Didysis sprogimas nebuvo sprogimas erdvėje, o veikiau pačios erdvės sprogimas, kuris neįvyko konkrečioje vietoje, o paskui išsiplėtė į aplinkinę tuštumą. Tai vyko visur vienu metu.
KOKS BUVO DIDYSIS SPŪGIS?
NETEISINGAI: Visata gimė, kai materija, kaip bomba, sprogo tam tikroje vietoje. Slėgis buvo didelis centre ir žemas aplinkinėje tuštumoje, todėl medžiaga išsisklaidė.
TEISINGAI: Tai buvo pačios erdvės sprogimas, kuris pajudėjo materiją. Mūsų erdvė ir laikas atsirado Didžiojo sprogimo metu ir pradėjo plėstis. Centro niekur nebuvo, nes... sąlygos visur buvo vienodos, nebuvo įprastiniam sprogimui būdingo slėgio kritimo.
Jei įsivaizduojame, kad slenkame per filmą atvirkštine tvarka, pamatysime, kaip suspaudžiami visi Visatos regionai ir suartėja galaktikos, kol jos visos susidurs Didžiojo sprogimo metu, kaip automobiliai kamštis. Tačiau palyginimas čia nėra baigtas. Jei įvyktų nelaimė, išgirdęs pranešimus apie tai per radiją, galėjai apvažiuoti spūstį. Tačiau Didysis sprogimas buvo katastrofa, kurios nepavyko išvengti. Tarsi Žemės paviršius ir visi jame esantys keliai buvo suglamžyti, bet automobiliai išliko tokio pat dydžio. Galiausiai automobiliai susidūrė, ir jokia radijo žinutė negalėjo to užkirsti kelio. Tas pats pasakytina ir apie Didįjį sprogimą: jis įvyko visur, kitaip nei bombos sprogimas, kuris įvyksta tam tikru momentu, o skeveldros skrenda į visas puses.
Didžiojo sprogimo teorija mums nepasako, kokio dydžio Visata ir ar ji yra baigtinė, ar begalinė. Reliatyvumo teorija aprašo, kaip kiekvienas erdvės regionas plečiasi, bet nieko nesako apie dydį ar formą. Kartais kosmologai tvirtina, kad Visata kažkada nebuvo didesnė už greipfrutą, tačiau jie turi omenyje tik tą jos dalį, kurią dabar galime stebėti.
Andromedos ūko ar kitų galaktikų gyventojai turi savo stebimas visatas. Stebėtojai Andromedoje gali pamatyti galaktikas, kurios mums nepasiekiamos vien todėl, kad jos yra šiek tiek arčiau jų; bet jie negali kontempliuoti tų, kuriuos mes svarstome. Jų stebima visata taip pat buvo greipfruto dydžio. Galima įsivaizduoti, kad ankstyvoji Visata buvo tarsi šių vaisių krūva, be galo besidriekianti į visas puses. Tai reiškia, kad mintis, kad Didysis sprogimas buvo „mažas“, yra klaidinga. Visatos erdvė yra beribė. Ir kad ir kaip suspaustumėte, toks jis liks.
Greičiau už šviesą
Klaidingos nuomonės taip pat gali būti siejamos su kiekybiniu plėtros aprašymu. Atstumų tarp galaktikų didėjimo greitis atitinka paprastą modelį, kurį 1929 m. atrado amerikiečių astronomas Edvinas Hablas: galaktikos tolimo greitis v yra tiesiogiai proporcingas jos atstumui d nuo mūsų, arba v = Hd. Proporcingumo koeficientas H vadinamas Hablo konstanta ir lemia erdvės plėtimosi greitį tiek aplink mus, tiek aplink bet kurį stebėtoją Visatoje.
Kai kuriuos glumina tai, kad ne visos galaktikos paklūsta Hablo dėsniams. Arčiausiai mūsų esanti didelė galaktika (Andromeda) paprastai juda link mūsų, o ne nuo mūsų. Tokios išimtys atsiranda todėl, kad Hablo dėsnis apibūdina tik vidutinį galaktikų elgesį. Bet kiekviena iš jų taip pat gali turėti nedidelį judėjimą, nes galaktikos turi viena kitai gravitacinę įtaką, pavyzdžiui, mūsų galaktika ir Andromeda. Tolimos galaktikos taip pat turi mažą chaotišką greitį, tačiau yra dideliu atstumu nuo mūsų (at didelę reikšmę d) šie atsitiktiniai greičiai yra nereikšmingi didelių pašalinimo greičių (v) fone. Todėl tolimoms galaktikoms Hablo dėsnį tenkina didelis tikslumas.
Pagal Hablo dėsnį Visata nesiplečia pastoviu greičiu. Kai kurios galaktikos tolsta nuo mūsų 1 tūkst. km/s greičiu, kitos, esančios dvigubai toliau, 2 tūkst. km/s greičiu ir t.t. Taigi Hablo dėsnis rodo, kad, pradėdamos nuo tam tikro atstumo, vadinamo Hablo atstumu, galaktikos tolsta superluminaliniu greičiu. Išmatuotai Hablo konstantos vertei šis atstumas yra apie 14 milijardų šviesmečių.
Tačiau ar Einšteino specialiosios reliatyvumo teorija nesako, kad joks objektas negali keliauti greičiau nei šviesos greitis? Šis klausimas glumino daugybę studentų kartų. Ir atsakymas yra tas, kad specialioji reliatyvumo teorija taikoma tik „normaliam“ greičiui - judėjimui erdvėje. Hablo dėsnis nurodo nuosmukio greitį, kurį sukelia pati erdvės plėtra, o ne judėjimas erdvėje. Šis bendrosios reliatyvumo teorijos poveikis nėra pavaldus specialiajam reliatyvumo teorijai. Didesnis nei šviesos greitis pašalinimo greitis niekaip nepažeidžia specialiosios reliatyvumo teorijos. Vis dar tiesa, kad niekas negali pasivyti šviesos pluošto.
AR GALAKTIKOS GALI PAŠALINTI GREIČIU GREIČIU UŽ ŠVIESOS GREITĮ?
NETEISINGAI: Einšteino dalinė reliatyvumo teorija tai draudžia. Apsvarstykite erdvės sritį, kurioje yra keletas galaktikų. Dėl jo plėtimosi galaktikos tolsta nuo mūsų. Kuo toliau galaktika, tuo didesnis jos greitis (raudonos rodyklės). Jei šviesos greitis yra riba, pašalinimo greitis ilgainiui turėtų tapti pastovus.
TEISINGAI: Žinoma, jie gali. Dalinė reliatyvumo teorija neatsižvelgia į pašalinimo greitį. Pašalinimo greitis be galo didėja didėjant atstumui. Už tam tikro atstumo, vadinamo Hablo atstumu, jis viršija šviesos greitį. Tai nėra reliatyvumo teorijos pažeidimas, nes pašalinimą sukelia ne judėjimas erdvėje, o pačios erdvės plėtimasis.
AR GALAKKTIKAS GREČIAU UŽ ŠVIESĄ JUNGANTIAS GAIČIAU?
NETEISINGAI: Žinoma, kad ne. Šviesa iš tokių galaktikų skrenda kartu su jomis. Tegul galaktika yra už Hablo atstumo (sferos), t.y. tolsta nuo mūsų greitesnis greitis Sveta. Jis skleidžia fotoną (pažymėtą geltonai). Kai fotonas skrenda per erdvę, pati erdvė plečiasi. Atstumas iki Žemės didėja greičiau nei juda fotonas. Jis niekada mūsų nepasieks.
TEISINGAI: Žinoma, galite, nes plėtimosi greitis laikui bėgant kinta. Pirma, fotoną iš tikrųjų nuneša plėtimasis. Tačiau Hablo atstumas nėra pastovus: jis didėja, ir galiausiai fotonas gali patekti į Hablo sferą. Kai tai įvyks, fotonas judės greičiau, nei tolsta Žemė, ir galės mus pasiekti.
Fotonų tempimas
Pirmieji stebėjimai, rodantys, kad Visata plečiasi, buvo atlikti 1910–1930 m. Laboratorijoje atomai skleidžia ir sugeria šviesą, visada esant tam tikram bangos ilgiui. Tas pats pastebimas ir tolimų galaktikų spektruose, bet su poslinkiu į ilgesnius bangos ilgius. Astronomai teigia, kad galaktikos spinduliuotė yra raudonai pasislinkusi. Paaiškinimas paprastas: erdvei plečiantis, šviesos banga išsitempia ir todėl silpnėja. Jei per tą laiką, kai mus pasiekė šviesos banga, Visata išsiplėtė du kartus, tai bangos ilgis padvigubėjo, o jos energija susilpnėjo per pusę.
NUVARGIMO HIPOTEZĖ
Kiekvieną kartą, kai „Scientific American“ publikuoja straipsnį apie kosmologiją, daugelis skaitytojų mums rašo, kad, jų manymu, galaktikos tikrai nuo mūsų nenutolsta ir kad erdvės plėtimasis yra iliuzija. Jie mano, kad raudonąjį poslinkį galaktikų spektruose sukelia kažkas panašaus į „nuovargį“ po ilgos kelionės. Dėl kažkokio nežinomo proceso šviesa, keliaujanti erdvėje, praranda energiją ir dėl to tampa raudona.
Ši hipotezė yra daugiau nei pusės amžiaus senumo ir iš pirmo žvilgsnio atrodo pagrįsta. Bet tai visiškai nesuderinama su stebėjimais.
Pavyzdžiui, kai žvaigždė sprogsta kaip supernova, ji užsidega ir tada pritemsta. Visas procesas užtrunka apie dvi savaites tokio tipo supernovoms, kurias astronomai naudoja atstumams iki galaktikų nustatyti. Per šį laikotarpį supernova skleidžia fotonų srautą. Šviesos nuovargio hipotezė sako, kad fotonai pakeliui praras energiją, tačiau stebėtojas vis tiek gaus dvi savaites trunkantį fotonų srautą.
Tačiau besiplečiančioje erdvėje ne tik ištempiami patys fotonai (todėl prarandama energija), bet ištempiamas ir jų srautas. Todėl užtrunka daugiau nei dvi savaites, kol visi fotonai pasiekia Žemę. Stebėjimai patvirtina šį poveikį. Supernovos sprogimas galaktikoje, kurios raudonasis poslinkis yra 0,5, trunka tris savaites, o galaktikoje, kurios raudonasis poslinkis yra 1 – mėnesį.
Šviesos nuovargio hipotezė taip pat prieštarauja kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės spektro stebėjimams ir tolimų galaktikų paviršiaus ryškumo matavimams. Atėjo laikas išeiti į pensiją „pavargusią šviesą“ (Charles Lineweaver ir Tamara Davis).
Procesą galima apibūdinti pagal temperatūrą. Kūno skleidžiami fotonai turi energijos pasiskirstymą, kuriam paprastai būdinga temperatūra, kuri parodo kūno karštį. Kai fotonai juda besiplečiančia erdve, jie praranda energiją ir mažėja jų temperatūra. Taigi, Visata plečiasi atvėsta, kaip suslėgtas oras, išeinantis iš naro bako. Pavyzdžiui, kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės temperatūra dabar yra apie 3 K, o ji gimė maždaug 3000 K temperatūroje. Tačiau nuo to laiko Visata padidėjo 1000 kartų, o fotonų temperatūra padidėjo. sumažėjo tiek pat. Stebėdami dujas tolimose galaktikose, astronomai tiesiogiai matuoja šios spinduliuotės temperatūrą tolimoje praeityje. Matavimai patvirtina, kad laikui bėgant Visata vėsta.
Taip pat yra tam tikrų prieštaravimų dėl raudonojo poslinkio ir greičio ryšio. Raudonasis poslinkis, kurį sukelia plėtimasis, dažnai painiojamas su labiau pažįstamu raudonuoju poslinkiu, kurį sukelia Doplerio efektas, dėl kurio garso bangos paprastai pailgėja, jei garso šaltinis tolsta. Tas pats pasakytina ir apie šviesos bangas, kurios ilgėja šviesos šaltiniui tolstant erdvėje.
Doplerio raudonasis poslinkis ir kosmologinis raudonasis poslinkis yra visiškai skirtingi dalykai ir apibūdinami skirtingomis formulėmis. Pirmasis išplaukia iš specialiosios reliatyvumo teorijos, kurioje neatsižvelgiama į erdvės plėtimąsi, o antroji – iš bendrosios reliatyvumo teorijos. Šios dvi formulės yra beveik vienodos netoliese esančioms galaktikoms, tačiau skiriasi tolimoms.
Pagal Doplerio formulę, jei objekto greitis erdvėje artėja prie šviesos greičio, tai jo raudonasis poslinkis linkęs į begalybę, o bangos ilgis tampa per ilgas ir todėl neprieinamas stebėjimui. Jei tai būtų tiesa galaktikoms, tada tolimiausi matomi dangaus objektai toltų pastebimai mažesniu nei šviesos greičiu. Tačiau kosmologinė raudonojo poslinkio formulė leidžia daryti kitokią išvadą. Standarto ribose kosmologinis modelis galaktikos, kurių raudonasis poslinkis yra apie 1,5 (t. y. priimtas jų spinduliavimo bangos ilgis yra 50 % didesnis už laboratorinę vertę), tolsta šviesos greičiu. Astronomai jau atrado apie 1000 galaktikų, kurių raudonasis poslinkis didesnis nei 1,5. Tai reiškia, kad žinome apie 1000 objektų, kurie tolsta greičiau nei šviesos greitis. CMB ateina iš dar didesnio atstumo ir turi apie 1000 raudonojo poslinkio. Kai jaunos Visatos karšta plazma skleidė spinduliuotę, kurią gauname šiandien, ji toldavo nuo mūsų beveik 50 kartų greičiau nei šviesos greitis.
Bėga vietoje
Sunku patikėti, kad galime pamatyti galaktikas, judančias greičiau nei šviesos greitis, tačiau tai įmanoma dėl plėtimosi greičio pokyčių. Įsivaizduokite, kad šviesos spindulys ateina į mus iš didesnio atstumo nei Hablo atstumas (14 milijardų šviesmečių). Jis juda link mūsų šviesos greičiu, palyginti su jo buvimo vieta, bet pats tolsta nuo mūsų greičiau nei šviesos greitis. Nors šviesa veržiasi link mūsų kuo greičiau, ji negali neatsilikti nuo erdvės plėtimosi. Tai tarsi vaikas, bandantis pabėgti atvirkštinė pusė palei eskalatorių. Hablo atstumu esantys fotonai keliauja kuo greičiau, kad liktų toje pačioje vietoje.
Galbūt manote, kad šviesa iš regionų, esančių toliau nei Hablo atstumas, niekada mūsų nepasieks ir mes niekada jos nepamatysime. Tačiau Hablo atstumas nelieka pastovus, nes Hablo konstanta, nuo kurios jis priklauso, laikui bėgant keičiasi. Ši vertė yra proporcinga greičiui, kuriuo dvi galaktikos tolsta, padalijus iš atstumo tarp jų. (Skaičiavimui gali būti naudojamos bet kurios dvi galaktikos.) Visatos modeliuose, kurie sutinka su astronominiais stebėjimais, vardiklis didėja greičiau nei skaitiklis, todėl Hablo konstanta mažėja. Dėl to Hablo atstumas didėja. Jei taip, šviesa, kuri iš pradžių mūsų nepasiekė, galiausiai gali patekti į Hablo atstumą. Tada fotonai atsidurs lėčiau nei šviesos greitis tolstančiame regione, po kurio jie galės mus pasiekti.
AR TIKRAI KOSMINIS RAUDONOJI PASIEKIMAS YRA DOPLERIO POSĖJIMAS?
NETEISINGAI: Taip, nes tolstančios galaktikos juda per erdvę. Taikant Doplerio efektą šviesos bangos išsitempia (tampa raudonesnės), nes jų šaltinis tolsta nuo stebėtojo. Šviesos bangos ilgis nesikeičia, kai ji sklinda per erdvę. Stebėtojas gauna šviesą, išmatuoja jos raudonąjį poslinkį ir apskaičiuoja galaktikos greitį.
TEISINGAI: Ne, raudonasis poslinkis neturi nieko bendra su Doplerio efektu. Galaktika erdvėje beveik nejuda, todėl į visas puses skleidžia vienodo bangos ilgio šviesą. Kelionės metu, plečiantis erdvei, bangos ilgis ilgėja. Todėl šviesa palaipsniui tampa raudona. Stebėtojas gauna šviesą, išmatuoja jos raudonąjį poslinkį ir apskaičiuoja galaktikos greitį. Kosminis raudonasis poslinkis skiriasi nuo Doplerio poslinkio, kaip patvirtina stebėjimai.
Tačiau šviesą siuntusi galaktika gali toliau tolti superluminal greičiu. Taigi galime stebėti šviesą iš galaktikų, kurios, kaip ir anksčiau, visada tols greičiau nei šviesos greitis. Trumpai tariant, Hablo atstumas nėra fiksuotas ir nenurodo mums stebimos Visatos ribų.
Kas iš tikrųjų žymi stebimos erdvės ribą? Čia taip pat yra tam tikra painiava. Jei erdvė nebūtų išsiplėtusi, tai dabar galėtume stebėti labiausiai nutolusį objektą, esantį maždaug 14 milijardų šviesmečių atstumu nuo mūsų, t.y. atstumas, kurį šviesa nukeliavo per 14 milijardų metų nuo Didžiojo sprogimo. Tačiau Visatai plečiantis, fotono peržengta erdvė per kelionę išsiplėtė. Todėl dabartinis atstumas iki labiausiai nutolusio stebimo objekto yra maždaug tris kartus didesnis – apie 46 milijardus šviesmečių.
Kosmologai manė, kad mes gyvename lėtėjančioje Visatoje ir todėl galime stebėti vis daugiau galaktikų. Tačiau greitėjančioje Visatoje mus atitveria riba, už kurios niekada nepamatysime vykstančių įvykių – tai yra kosminis įvykių horizontas. Jei šviesa iš galaktikų, tolstančių greičiau nei šviesos greitis, mus pasieks, Hablo atstumas padidės. Tačiau greitėjančioje Visatoje jo didėjimas draudžiamas. Tolimas įvykis gali pasiųsti šviesos spindulį mūsų kryptimi, tačiau ta šviesa amžinai išliks už Hablo atstumo ribos dėl plėtimosi pagreitėjimo.
Kaip matome, greitėjanti Visata primena juodąją skylę, kuri turi ir įvykių horizontą, iš kurio išorės negauname signalų. Dabartinis atstumas iki mūsų kosminių įvykių horizonto (16 milijardų šviesmečių) yra tik mūsų stebimame regione. Galaktikų, kurios dabar yra toliau už kosminių įvykių horizontą, skleidžiama šviesa niekada nepasieks mūsų, nes. atstumas, kuris šiuo metu atitinka 16 milijardų šviesmečių, išsiplės per greitai. Mes galėsime pamatyti įvykius, kurie vyko galaktikose prieš joms peržengiant horizontą, bet niekada nesužinosime apie vėlesnius įvykius.
Ar visatoje viskas plečiasi?
Žmonės dažnai galvoja, kad jei erdvė plečiasi, plečiasi ir viskas joje. Bet tai netiesa. Išsiplėtimas kaip toks (t. y. pagal inerciją, be pagreičio ar lėtėjimo) nesukelia jokios jėgos. Fotono bangos ilgis didėja augant Visatai, nes, skirtingai nei atomai ir planetos, fotonai nėra sujungti objektai, kurių dydžius lemia jėgų pusiausvyra. Kintantis plėtimosi greitis įveda naują jėgą į pusiausvyrą, tačiau dėl to objektai negali plėstis ar susitraukti.
Pavyzdžiui, jei gravitacija sustiprėjo, jūsų nugaros smegenys susitrauktų tol, kol stuburo elektronai pasieks naują pusiausvyros padėtį, šiek tiek arčiau vienas kito. Jūsų ūgis šiek tiek sumažėtų, tačiau suspaudimas sustos. Lygiai taip pat, jei gyventume visatoje, kurioje vyrauja gravitacinės jėgos, kaip prieš keletą metų tikėjo dauguma kosmologų, plėtimasis sulėtėtų ir visi kūnai būtų silpnai suspausti, priversdami juos pasiekti mažesnę pusiausvyrą. dydis. Tačiau, pasiekę jį, jie nebemažėtų.
KIEK DIDŽIAUSI YRA STEBĖJAMOJI VISATA?
NETEISINGAI: Visata yra 14 milijardų metų, todėl stebimos jos dalies spindulys turi būti 14 milijardų šviesmečių. Apsvarstykite tolimiausią iš stebimų galaktikų – tą, kurios fotonai, išspinduliuoti iškart po Didžiojo sprogimo, pasiekė tik dabar. mus. Šviesmetis – tai atstumas, kurį fotonas nukeliauja per metus. Tai reiškia, kad fotonas nukeliavo 14 milijardų šviesmečių
TEISINGAI: plečiantis erdvei, stebimo regiono spindulys yra didesnis nei 14 milijardų šviesmečių. Kai fotonas keliauja, erdvė, kurią jis kerta, plečiasi. Kol jis mus pasiekia, atstumas iki jį spinduliavusios galaktikos tampa didesnis nei tiesiog skaičiuojant pagal skrydžio laiką – maždaug tris kartus didesnis.
Tiesą sakant, plėtimasis spartėja, o tai sukelia silpna jėga, „išpučianti“ visus kūnus. Todėl surišti objektai yra šiek tiek didesni nei jie būtų nespartėjančioje Visatoje, nes jie pasiekia pusiausvyrą būdami šiek tiek didesnio dydžio. Žemės paviršiuje pagreitis, nukreiptas į išorę, toliau nuo planetos centro, yra maža dalis ($10^(-30)$) normalaus gravitacinio pagreičio link centro. Jei šis pagreitis yra pastovus, tai nesukels Žemės plitimo. Tiesiog planeta įgauna šiek tiek didesnį dydį, nei būtų buvusi be atstumiančios jėgos.
Tačiau viskas pasikeičia, jei pagreitis nėra pastovus, kaip mano kai kurie kosmologai. Jei atstūmimas padidės, tai galiausiai gali sukelti visų konstrukcijų griūtį ir sukelti „didįjį plyšimą“, kuris įvyktų ne dėl išsiplėtimo ar pagreičio per se, o dėl to, kad pagreitis paspartėtų.
AR OBJEKTAI VISATOS TAIP PAT PLĖČIASI?
NETEISINGAI: Taip. Dėl plėtimosi Visata ir viskas joje didėja. Galaktikų spiečius laikykime objektu. Didėjant Visatai, didėja ir spiečius. Klasterio riba (geltona linija) plečiasi.
TEISINGAI: Ne. Visata plečiasi, bet joje esantys susieti objektai to nedaro. Kaimyninės galaktikos iš pradžių tolsta, bet galiausiai jų tarpusavio trauka įveikia plėtimąsi. Klasteris sudaromas tokio dydžio, kuris atitinka jo pusiausvyros būseną.
Kadangi nauji, tikslūs matavimai padeda kosmologams geriau suprasti plėtimąsi ir pagreitį, jie gali užduoti dar svarbesnius klausimus apie ankstyviausius Visatos momentus ir didžiausius mastelius. Kas lėmė plėtrą? Daugelis kosmologų mano, kad dėl to kaltas procesas, vadinamas „infliacija“. specialus tipas spartėjanti plėtra. Bet galbūt tai tik dalinis atsakymas: kad tai prasidėtų, atrodo, kad Visata jau turėjo plėstis. O kaip dėl didžiausių mastelių, už mūsų stebėjimų ribų? Ar skirtingos Visatos dalys plečiasi skirtingai, todėl mūsų Visata yra tik nedidelis infliacijos burbulas milžiniškoje supervisatoje? Niekas nežino. Tačiau tikimės, kad laikui bėgant pavyks suprasti Visatos plėtimosi procesą.
APIE AUTORIUS:
Charlesas H. Lineweaveris ir Tamara M. Davis yra Australijos Mount Stromlo observatorijos astronomai. 1990-ųjų pradžioje. Kalifornijos universitete Berklyje Lineweaveris priklausė mokslininkų komandai, kuri atrado kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės svyravimus naudojant COBE palydovą. Apgynė disertaciją ne tik astrofizikos, bet ir istorijos bei Anglų literatūra. Davisas dirba kosminėje observatorijoje, vadinamoje Supernova / Acceleration Probe.
PASTABOS Į STRAIPSNĮ „DIDŽIOJO SPĖGIMO PARADOKSAI“
Profesorius Anatolijus Vladimirovičius Zasovas, fizika. Maskvos valstybinio universiteto fakultetas: visi nesusipratimai, dėl kurių ginčijasi straipsnio autoriai, yra susiję su tuo, kad aiškumo dėlei jie dažniausiai svarsto riboto Visatos tūrio plėtimąsi griežtoje atskaitos sistemoje (ir jos plėtimąsi). pakankamai mažas regionas, kad nebūtų atsižvelgta į laiko skirtumą Žemėje ir tolimose galaktikose žemės atskaitos sistemoje). Iš čia kilo idėja apie sprogimą, Doplerio poslinkį ir plačiai paplitusią painiavą dėl judėjimo greičio. Autoriai rašo ir rašo taisyklingai, kaip viskas atrodo neinercinėje (lydinčioje) koordinačių sistemoje, kurioje dažniausiai dirba kosmologai, nors straipsnyje to tiesiogiai nepasakoma (iš esmės visi atstumai ir greičiai priklauso nuo koordinačių pasirinkimo). atskaitos sistema, ir čia visada yra tam tikra savivalė). Vienintelis dalykas, kuris neparašyta aiškiai, yra tai, kad nėra apibrėžta, ką reiškia atstumas besiplečiančioje Visatoje. Pirma, autoriai tai nurodo kaip šviesos greitį, padaugintą iš sklidimo laiko, o tada jie sako, kad taip pat reikia atsižvelgti į plėtimąsi, dėl kurios galaktika buvo dar labiau nutolusi, kol šviesa buvo pakeliui. Taigi atstumas jau suprantamas kaip šviesos greitis, padaugintas iš sklidimo laiko, kurio prireiktų, jei galaktika nustotų tolti ir skleistų šviesą dabar. Iš tikrųjų viskas yra sudėtingiau. Atstumas yra nuo modelio priklausomas dydis ir jo negalima gauti tiesiogiai iš stebėjimų, todėl kosmologai puikiai apsieina ir be jo, pakeisdami jį raudonuoju poslinkiu. Bet galbūt griežtesnis požiūris čia netinka.
Didiesiems praeities fizikams I. Newtonui ir A. Einšteinui Visata atrodė statiška. Sovietų fizikas A. Friedmanas 1924 metais pateikė galaktikų „išsklaidymo“ teoriją. Friedmanas numatė Visatos plėtimąsi. Tai buvo revoliucinė fizinio mūsų pasaulio supratimo revoliucija.
Amerikiečių astronomas Edvinas Hablas tyrinėjo Andromedos ūką. Iki 1923 m. jis galėjo pastebėti, kad jo pakraščiai buvo atskirų žvaigždžių sankaupos. Hablas apskaičiavo atstumą iki ūko. Paaiškėjo, kad tai 900 000 šviesmečių (šiandien tiksliau apskaičiuotas atstumas yra 2,3 mln. šviesmečių). Tai yra, ūkas yra toli už Paukščių Tako – Mūsų galaktikos. Stebėjęs šį ir kitus ūkus, Hablas padarė išvadą apie Visatos sandarą.
Visata susideda iš didžiulių žvaigždžių spiečių rinkinio - galaktikos.
Būtent jie mums atrodo kaip tolimi migloti „debesys“ danguje, nes mes tiesiog negalime pamatyti atskirų žvaigždžių tokiu didžiuliu atstumu.
E. Hablas gautuose duomenyse pastebėjo svarbų aspektą, kurį astronomai stebėjo ir anksčiau, tačiau sunkiai interpretuojamus. Būtent: stebimas spektrinių šviesos bangų, kurias skleidžia tolimų galaktikų atomai, ilgis yra šiek tiek didesnis nei spektrinių bangų, kurias skleidžia tie patys atomai antžeminėse laboratorijose. Tai reiškia, kad kaimyninių galaktikų spinduliuotės spektre šviesos kvantas, kurį skleidžia atomas, kai elektronas šokinėja iš orbitos į orbitą, pasislenka į raudonąją spektro dalį, palyginti su panašiu kvantu, kurį skleidžia tas pats atomas Žemėje. . Hablas pasinaudojo laisve interpretuoti šį stebėjimą kaip Doplerio efekto apraišką.
Visos stebimos kaimyninės galaktikos tolsta nuo Žemės, nes beveik visi galaktikos objektai, esantys už Paukščių Tako ribų, turi raudoną spektrinį poslinkį, proporcingą jų pašalinimo greičiui.
Svarbiausia, kad Hablas sugebėjo palyginti atstumų iki kaimyninių galaktikų matavimų rezultatus su jų nuosmukio rodikliais (remiantis raudonuoju poslinkiu).
Matematiškai įstatymas suformuluotas labai paprastai:
kur v yra greitis, kuriuo galaktika tolsta nuo mūsų,
r yra atstumas iki jo,
H yra Hablo konstanta.
Ir nors Hablas iš pradžių priėjo prie šio dėsnio stebėdamas tik kelias arčiausiai mūsų esančias galaktikas, nė viena iš daugelio nuo to laiko atrastų naujų regimos Visatos galaktikų, vis labiau nutolusių nuo Paukščių Tako, nepatenka į šio įstatymo taikymo sritį.
Taigi, pagrindinė Hablo dėsnio pasekmė:
Visata plečiasi.
Pats pasaulio erdvės audinys plečiasi. Visi stebėtojai (ir jūs, ir aš nesame išimtis) laiko save Visatos centre.
4. Didžiojo sprogimo teorija
Pagal eksperimentinį galaktikų nuosmukio faktą buvo įvertintas Visatos amžius. Pasirodė lygus – apie 15 milijardų metų! Taip prasidėjo šiuolaikinės kosmologijos era.
Natūraliai kyla klausimas: kas nutiko pradžioje? Mokslininkams prireikė tik maždaug 20 metų, kad visiškai pakeistų savo supratimą apie Visatą.
Atsakymą 40-aisiais pasiūlė iškilus fizikas G. Gamow (1904 - 1968). Mūsų pasaulio istorija prasidėjo nuo Didžiojo sprogimo. Būtent taip šiandien galvoja dauguma astrofizikų.
Didysis sprogimas – tai staigus iš pradžių milžiniško tankio, temperatūros ir medžiagos slėgio, susitelkusios labai mažame Visatos tūryje, kritimas. Visa visatos materija buvo suspausta į tankų pirminės medžiagos gabalėlį, esantį labai mažame tūryje, palyginti su dabartiniu Visatos mastu.
Visatos idėja, gimusi iš itin tankios itin karštos medžiagos gumulės ir nuo tada besiplečianti bei vėsstanti, vadinama Didžiojo sprogimo teorija.
Šiandien nėra sėkmingesnio kosmologinio Visatos atsiradimo ir evoliucijos modelio.
Remiantis Didžiojo sprogimo teorija, ankstyvoji Visata susideda iš fotonų, elektronų ir kitų dalelių. Fotonai nuolat sąveikavo su kitomis dalelėmis. Plečiantis Visatai ji atvėso ir tam tikrame etape elektronai pradėjo jungtis su vandenilio ir helio branduoliais ir formuoti atomus. Tai atsitiko maždaug 3000 K temperatūroje ir apytikslis Visatos amžius – 400 000 metų. Nuo šio momento fotonai galėjo laisvai judėti erdvėje, praktiškai nesąveikdami su materija. Bet mums liko tos eros „liudininkai“ – tai reliktiniai fotonai. Manoma, kad kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė buvo išsaugota nuo pradinių Visatos egzistavimo etapų ir užpildo ją tolygiai. Dėl tolesnio radiacijos aušinimo jos temperatūra sumažėjo ir dabar yra apie 3 K.
Kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės egzistavimas teoriškai buvo prognozuojamas Didžiojo sprogimo teorijos rėmuose. Tai laikoma vienu iš pagrindinių Didžiojo sprogimo teorijos patvirtinimų.