Часть изображения, полученного в рамках наблюдения Hubble eXtreme Deep Field, в комбинированном ультрафиолете, видимом свете и инфракрасном излучении – самого глубокого взгляда во Вселенную из всех, что мы предпринимали. Различные видимые здесь галактики находятся на разных расстояниях и имеют разное красное смещение, что позволяет нам вывести закон Хаббла.
Вселенная огромна, и на миллиарды световых лет во всех направлениях заполнена звёздами и галактиками. С самого Большого взрыва свет путешествует, отправляясь с каждого создавшего его источника, и совсем малая часть этого света доходит до наших глаз. Но свет не просто перемещается через пространство из точки испускания и до того места, где мы находимся сегодня; кроме этого, расширяется сама ткань пространства.
Чем дальше от нас находится галактика, тем больше пространство между нами растягивает – и смещает в красную часть спектра – тот свет, что в итоге прибудет к нашим глазам. Заглядывая на всё более далёкие расстояния, мы видим увеличение красного смещения. Если построить график того, как видимая скорость удаления зависит от расстояния, мы получим красивое, прямолинейное взаимоотношение: закон Хаббла. Но наклон этой линии, постоянная Хаббла, на самом деле совсем не постоянен. И это одно из наиболее сильных заблуждений во всей астрономии.
Зависимость красного смещения от расстояния для удалённых галактик. Не попадающие на линию точки смещены из-за разности пекулярных скоростей, но они лишь немного отклоняются от наблюдаемой общей картины. Изначальные дата, полученные самим Эдвином Хабблом, и впервые использованные для демонстрации расширения Вселенной, умещаются в небольшой красный прямоугольник в левом нижнем углу.
Расширение Вселенной мы понимаем двояко: теоретически и через наблюдения. Наблюдая за Вселенной, мы видим несколько важных фактов, связанных с расширением:
- Вселенная расширяется с одной скоростью во всех направлениях.
- Чем дальше находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
- Всё это верно только в среднем.
У отдельных галактик наблюдается большой разброс реальных скоростей, существующий благодаря гравитационным взаимодействиям со всем веществом Вселенной.
Двумерный срез ближайших к нам участков Вселенной, плотность которых выше (красное) и ниже (синее/чёрное) среднего значения. Линии и стрелки показывают направления пекулярных скоростей, но вся эта картина включена в ткань расширяющегося пространства.
Но эта проблема не является непреодолимой. Во Вселенной есть не просто несколько галактик, расстояние и красное смещение которых мы можем измерить; мы провели такие измерения буквально для миллионов галактик. Огромное количество галактик мы можем сгруппировать так, чтобы каждая группа находилась на определённом среднем расстоянии от нас, и мы могли бы подсчитать их среднее красное смещение. После такой процедуры мы обнаруживаем прямолинейную зависимость, определяющую закон Хаббла.
Но вот, в чём сюрприз. Если заглянуть на достаточно большие расстояния, становится видно, что скорость расширения уже не подчиняется прямолинейному закону, и начинает закругляться.
Зависимость скорости видимого расширения (ось у) от расстояния (ось х) соответствует тому, что Вселенная в прошлом расширялась быстрее, однако расширяется и сегодня. Это современная (2014 год) версия работы Хаббла, распространяющаяся на дистанции в тысячи раз большие. Заметим, что точки не формируют прямую линию, а значит, скорость расширения со временем меняется.
Используя термин «постоянная Хаббла», мы имеем в виду наклон этой линии. Если это не линия – то есть, если её наклон меняется – это говорит о том, что хаббловская скорость расширения Вселенной не является константой! Мы называем её постоянной Хаббла потому, что Вселенная расширяется с одной и той же скоростью в любой её точки: постоянная Хаббла постоянна в пространстве.
Но скорость расширения, и значение постоянной Хаббла, изменяются со временем. Это не загадка, а то, чего и следовало ожидать. Чтобы это понять, давайте посмотрим на это с другой точки зрения: теоретической.
Итан Сигель на фоне гиперстены Американского астрономического общества в 2017 году, вместе с первым уравнением Фридмана, справа.
#МоёЛюбимоеУравнение
Первое уравнение Фридмана предсказывает скорость расширения Вселенной на основании её содержимого
Первое уравнение Фридмана получается у нас, если начать со Вселенной, равномерно заполненной материей, излучением и всеми остальными формами энергии. Единственные используемые здесь предположения – Вселенная изотропна (одинаковая во всех направлениях), гомогенна (имеет одинаковую плотность повсюду) и подчиняется Общей теории относительности. Приняв это, вы получаете взаимоотношение величины H, скорости Хаббла (слева) и различных форм материи и энергии Вселенной (справа):
Первое уравнение Фридмана, как его обычно записывают сегодня. Левая часть определяет скорость расширения и эволюцию пространства-времени, а правая включает все различные формы материи и энергии, а также пространственную кривизну
Что интересно, с расширением Вселенной плотности материи, излучения и энергии могут меняться. К примеру, с расширением Вселенной увеличивается её объём, но общее количество частиц остаётся неизменным. Это означает, что в расширяющейся Вселенной:
- плотность материи падает как a-3,
- плотность излучения падает, Как a-4,
- плотность тёмной энергии остаётся постоянной, и эволюционирует, как a0,
где a – фактор масштаба (расстояние или радиус) Вселенной. Со временем a растёт, и различные компоненты Вселенной становятся более или менее важными относительно друг друга.
Как материя (вверху), излучение (в середине) и космологическая константа (внизу) развиваются со временем в расширяющейся Вселенной
Вселенная с большей плотностью энергии расширяется быстрее. И наоборот, вселенная с меньшей плотностью энергии расширяется медленнее. С возрастом Вселенная расширяется: при расширении материя и излучение становятся менее плотными; с уменьшением плотности уменьшается и скорость расширения. В любой момент времени скорость расширения определяет значение постоянной Хаббла. В далёком прошлом скорость расширения была гораздо больше, а сегодня – наименьшая.
Различные компоненты и вклады в плотность энергии Вселенной, и периоды их доминирования. Если бы космические струны или стены доменов существовали в каком-то значимом количестве, они вносили бы существенный вклад в расширение Вселенной. Могут даже быть и какие-то другие компоненты Вселенной, которых нам уже больше не видно, или которые ещё только собираются проявить себя! К сегодняшнему моменту тёмная энергия доминирует, материя достаточно важна, а излучением можно пренебречь.
Так почему же очень удалённые галактики подчиняются этому прямолинейному соотношению? Потому, что весь свет, прибывающий к нашим глазам, от света, испущенного соседней галактикой, до света, испущенного галактикой, находящейся в миллиардах световых лет от нас, к моменту подхода к нам достигает возраста в 13,8 млрд лет. Ко времени прихода света всё во Вселенной прожило ту же самую постоянно меняющуюся Вселенную, что и мы. Постоянная Хаббла в прошлом, когда была испущена большая часть света, была выше, но на то, чтобы этот свет прибыл к нашим глазам, ушло миллиарды лет.
Свет может быть испущен с разной длиной волны, но расширение Вселенной растянет его в пути. Свет, испущенный галактикой 13,4 млрд лет назад в ультрафиолете, будет сдвинут в инфракрасный диапазон.
Со временем Вселенная расширялась, а значит, длина волны света увеличивалась. Тёмная энергия стала достаточно важной лишь в последние 6 млрд лет, и мы дошли до момента, когда она довольно быстро становится единственным компонентом Вселенной, влияющим на скорость её расширения. Если бы мы вернулись в то время, когда Вселенная была в два раза моложе, то скорость расширения была бы на 80% больше сегодняшней. А когда Вселенной было 10% от текущего возраста, скорость расширения была в 17 раз больше, чем сегодня.
Когда Вселенная станет в десять раз старше, чем сегодня, её скорость расширения составит 18% от сегодняшней.
Голубым закрашен диапазон возможных неопределённостей того, как плотность тёмной энергии может отклоняться в прошлом и будущем. Данные указывают на наличие истинной космологической «константы», но другие возможности пока никто не отверг. К сожалению, преобразование материи в излучение не может быть кандидатом на тёмную энергию; в результате его то, что раньше вело себя, как материя, просто ведёт себя, как излучение.
Всё из-за наличия тёмной энергии, ведущей себя, как космологическая константа. В далёком будущем материя и излучение станут относительно неважными по сравнению с тёмной энергией, а значит, плотность энергии Вселенной будет оставаться постоянной. В таких условиях скорость расширения достигнет устойчивой и конечной величины, и таким и останется. В далёком будущем постоянная Хаббла станет постоянной не только в пространстве, но и во времени.
В далёком будущем, измерив скорость и расстояние до всех видимых объектов, мы получим одинаковый наклон этой линии повсюду. Постоянная Хаббла станет истинно постоянной.
Относительная важность различных компонентов энергии Вселенной в различное время в прошлом. Когда тёмная энергия приблизится в будущем к отметке в 100%, плотность энергии Вселенной будет оставаться постоянной на сколь угодно большом промежутке времени.
Если бы астрономы точнее обращались со словами, они назвали бы H параметром Хаббла, а не постоянной Хаббла, поскольку она меняется со временем. Но несколько поколений подряд мы могли измерять относительно небольшие расстояния, и H казалась постоянной, поэтому мы не стали её переименовывать. Нам приходится лишь уточнять, что H это функция времени, и только сегодня – когда мы называем её H0 — она постоянна. На самом деле параметр Хаббла изменяется со временем, и остаётся постоянным только по всему пространству. Но если бы мы дожили до далёкого будущего, мы увидели бы, что H в какой-то момент перестаёт меняться. Сегодня мы можем тщательно разделять реальные постоянные величины и те, что меняются со временем, но в далёком будущем благодаря тёмной энергии этой разницы уже не будет.
Комментарии (34)
tBlackCat
31.07.2018 17:04-1> Когда Вселенная станет в десять раз старше, чем сегодня, её скорость расширения составит 18% от сегодняшней.
Если экстраполировать дальше, то наступит момент, когда скорость упадёт до нуля. Сильно напоминает одну из теорий конца вселенной, когда расширение сменится сжатием.sinigr
31.07.2018 19:29Возможен также вариант, что скорость будет лишь асимптотически приближаться к нулю, но не достигнет его.
Или, например, установится некое равновесие между расширением и сжатием, и объем Вселенной станет стабильным.tBlackCat
31.07.2018 19:42Вариантов может много быть, включая и схлопывание вселенной под действием гравитации, когда скорость разбегания галактик станет критически малой.
Мне непонятно только одно — почему принято считать, что речь идёт помимо материи и о пространстве. Что тогда снаружи? Впрочем мы не в курсе, что было до Большого Взрыва. И как говорят современная наука тут бессильна.mrhru
01.08.2018 05:38+1"Неа. Из-за темной энергии скорость до нуля не упадет." © mird
tBlackCat
01.08.2018 06:08-1То нам неизвестно. Учёные до сих пор не пришли к единому мнению о модели поведения вселенной.
Да и не из-за тёмной материи или энергии пророчили схлопывание вселенной, а аккурат из-за обычной, если она (масса материи) превысит некую критическую точку и возобладают гравитационные силы. И, насколько помню, эти дела тёмные так и остаются гипотетическими — чисто математическими фантазиями, призванными заткнуть дыры незнания.mrhru
01.08.2018 08:14+1Прочитайте еще раз статью, там как раз рассказано про современные представления о «модели поведения вселенной» и влияния на нее темной энергии.
tBlackCat
01.08.2018 13:36Спасибо за напоминание. Человеку, несколько далёкому от темы, тобишь мне, полезно освежить прочитанное ранее. Хотя математическая мясорубка слабо вдохновляет без эмпирического подтверждения, как, например, стало с бозоном Хиггса, который в итоге нашли.
Ждём-с аналогичного и с тёмной стороной силы (с) Звёздные войны :)
Да, традиционное «спасибо» кому-то незнакомому со старыми теориями за минусовку.mrhru
01.08.2018 23:19Я помню еще эти старые теории. Попытки прикинуть среднюю плотность вселенной и посчитать на этой основе дальнейшую ее судьбу. И даже помню историю, ставшую почти анекдотической: на каком-то международном физическом симпозиуме посреди доклада вбегает взволнованный человек и сообщает, что по последним оценкам плотность вселенной в точности равна критической и, следовательно, вселенная совершенно плоская. Один из слушателей, видать опытный физик :), спрашивает — а с какой погрешностью произведена оценка? С точностью +- 0.05.
tBlackCat
02.08.2018 05:38Старая теория не означает автоматически, что неправильная. А вот выдумывание дополнительных сущностей только для подгонки своих новомодных теорий — это нечто забавное. Когда читаю про тёмную материю с её поистине фантастическими свойствами или энергию тёмную, вспоминаю своего преподавателя, вдалбливающего постулаты в головы студентов и его слова: «Возьмём N-мерное пространство...». Чисто математическая хреновина, оторванная от реальности нашего 3-мерного мира. Иными словами, для подтверждения того или иного постулата уже не хватает разумного, требуется нечто невообразимое.
С иной стороны, утверждается, что дело не ограничивается тремя измерениями, просто измерения более высокого порядка выродились (интересно, как это) и найти их можно только на квантовом уровне (теория суперструн). А попытки представить двумерность времени? Чего только не придумают.
Интересно, как себя должны вести все эти постоянные в таком изменчивом разнообразии моделей миров. И насколько они постоянны. Сплошное (км/c)/Мпк.
Ckpyt
01.08.2018 13:09Тут наоборот получается предотвращение схлопывания. Как только галактики начали приближаться друг к другу, переменная Хаббла растет.
george_vernin
31.07.2018 18:40Удивляет то, что вас это удивляет
Столько работы ведется и чем дальше тем больше сомнений что подчиняется каким -то законам в том смысле что вселенная сильно не однородна
Jeyko
01.08.2018 00:24+1Глядя вглубь, рискну предположить, что в нашем мире нет ничего постоянного. Просто мы далеко как не долгожители чтобы почувствовать это непостоянство.
Две параллельные прямые пересекаются в бесконечности. Этого не докажешь, но я видел это собственными глазами (c)
arilou_camper
01.08.2018 02:28Маргаритка есть на каждой картинке из этой книги. А вы знали об этом?))
dim2r
01.08.2018 12:31Старая догадка о непостоянстве всего еще раз подтверждается. Эталонный килограмм изменился. Константы изменяются. Мысли постоянно сменяют друг друга. Что-то постоянно происходит без остановок.
napa3um
01.08.2018 12:37Можно написать Книгу Догадок (не обязательно, чтобы они были совместимы друг с другом) на миллион страниц, и оказаться правым не один раз.
dim2r
01.08.2018 13:06Конкретно про эту догадку уже пару тысяч лет известно.
napa3um
01.08.2018 13:20Про противоположную ей — тоже.
dim2r
01.08.2018 13:22фактов больше в сторону изменений
napa3um
01.08.2018 13:37Это словоблудие можно продолжать бесконечно. К счастью, наука работает не так, и каждая «догадка» (гипотеза) под собой подразумевает теорию, в которой она имеет определённый смысл. Просто угадывать и считать «факты» (на самом деле — триггеры в вашем мозгу, возбуждающиеся на теги и словосочетания в текстах новостей научпопа) смысла особого нет.
dim2r
01.08.2018 14:14Я отлично знаю как работает наука. Недавно с конференции по физике приехал. Хотите пободаться?
napa3um
01.08.2018 14:23+1Вы именно этим на конференции занимались? Конференции — важный аспект научного процесса, конечно, но абсолютно не вся его суть (про вашу любовь к потреблению научпопа, кажется, я угадал :)).
Ckpyt
01.08.2018 12:59Интересное следствие: если эта теория верна, то это значит, что скорость расширения вселенной наивысшая внутри ядра черной дыры. Что, в свою очередь, создает парадокс: с течением времени падать на ЧД становится все сложнее и сложнее, и между ЧД и материей появляется пустое пространство, которое постоянно расширяется… Хм… это получается отличный аргумент против схлапывания вселенной в одну ЧД.
Ох ты ж ежик ты мой! Это ж получается, что у ЧД появляется такое понятие как МАКСИМАЛЬНЫЙ РАЗМЕР. Выше которого ЧД растаскивает само растущее пространство.
Блин… это гениально…mrhru
01.08.2018 23:24В чем-то вы правы :)
Внутри любой черной дыры в каком-то смысле просто чудовищно много места :)
GeMir
О, эти дивные «изначальные дата», «начинающая закругляться» скорость расширения и линия, которая вовсе и не линия, потому что её наклон меняется…
olgerdovich
А также «изображение <...> в комбинированном ультрафиолете, видимом свете и инфракрасном излучении» (что такое «комбинированный ультрафиолет»?) «свет путешествует» (причем «отправляясь… с источника»), «прямолинейное взаимоотношение» с «прямолинейной зависимостью», «прямолинейным законом» и «прямолинейным соотношением», «понимание… через наблюдение», несколько ненужных запятых перед «как» (да, запятая перед «как» ставится не всегда)…
napa3um
Крива?я или ли?ния — геометрическое понятие, определяемое в разных разделах математики различно.
olgerdovich
и что теперь?
вы не поняли суть претензии?
Переводчик выдал следующий фрагмент
Из которого следует, что линия переменного наклона — не линия.
Очевидно, что в оригинале обсуждалась не линия вообще, а прямая, что при переводе заменилось на бессмысленное утверждение.
napa3um
Да, иногда трудно распарсить ироничный тон в тексте комментария, а тщательно сверять текст комментария с текстами поста было лениво, должен признаться.