У 1920-х роках серед вчених точилися суперечки про розміри Всесвіту і природу туманностей.Деякі з них
Вчений розрахував відстань до туманностіАндромеди і показав, що воно більше розмірів Чумацького Шляху, а отже, йдеться про окрему галактику. А в 1929 році вчений опублікував роботу, в якій на основі спостереження за кількома відомими галактиками показав, що вони віддаляються від Землі в різних напрямках. Правило, яке встановлює співвідношення між відстанню до галактики та її променевою швидкістю, назвали законом Хаббла або законом Хаббла — Леметра.
Бельгійський священик і астрофізик Жорж Леметр дійшов тих самих висновків за два роки до Хаббла, але його стаття, опублікована французькою та в непопулярному журналі, залишилася непоміченою.
Сучасна космологічна модель заснована напринцип розширення Всесвіту. Однак альтернативні методи спостереження дають різні значення його швидкості. Вчені продовжують розробляти нові способи, щоб нарешті поставити крапку у цьому питанні. А потім точно визначити вік, еволюцію і склад Всесвіту.
Карта розширення Всесвіту. Зображення: NASA, WMAP Science Team
Всесвіт розширюється?
На це питання немає точної відповіді, оскількинеможливо вийти за межі системи та подивитися ззовні, як все відбувається насправді. Але теорія Всесвіту, що розширюється, найкраще описує спостереження.
По-перше, дослідження космосу виявляютьчервоне зміщення: виявилося, що чим далі від нас знаходяться об'єкти, тим більше випромінювання від них зміщується до червоної частини спектру. У статті Хаббл показав залежність між відстанню і червоним усуненням. Крім того, він встановив, що швидкість об'єктів, що віддаляються, пропорційна відстані до них. Найкраще ці спостереження співвідносяться з метричним (лінійним) розширенням.
По-друге, великомасштабні космологічні спостереження з глибокою роздільною здатністю показали, що, хоча в локальних масштабах ВсесвітЦе «грудкувата» структура (галактики утворюють групи, розділені порожнечами) і є однорідною на великих відстанях.
По-третє, однорідність простору, викликана розширенням Всесвіту на всі боки, підтверджує однорідність розподілу далеких гамма-сплесків та вибухів наднових.
І, нарешті, спостереження Європейської космічноїОбсерваторії показують, що реліктове випромінювання було набагато тепліше в ранні часи. Поступове рівномірне охолодження слідів Великого вибуху також узгоджується з теорією Всесвіту, що рівномірно розширюється.
Як вимірюють постійну Хаббла?
Величина константи, яка встановлює зв'язок між швидкістю галактик і відстанню до них, оцінюється шляхом вимірювання червоного зсуву далеких галактик, а потім визначення відстаней до них якимось методом, відмінним від закону Габбла.
Перші вимірювання константи були зроблені самим Едвіном Хабблом.Спостерігаючи туманність Андромеди за допомогою 100-дюймового (254 см) телескопа в обсерваторії Маунт-Вілсон, вчений виявив в її складі кілька яскравих зірок.Це клас пульсуючих змінних жовтих гігантів і надгігантів, для яких зв'язок між періодом пульсацій і світністю добре зрозумілий.
Вимірявши обидва параметри, вчений розрахуваввідстань до цих зірок, а також червоне зміщення галактик, що дозволяє визначити їхню радіальну швидкість. Отриманий Хаббл коефіцієнт пропорційності становив близько 500 км/с на мегапарсек (Мпк). Це означає, що об'єкти, розташовані на відстані близько 3,26 млн. світлових років (1 Мпк) від Землі повинні віддалятися від нас зі швидкістю 500 км/с, 32,6 млн. світлових років — 5 000 км/с і так далі.
Знімок галактики Андромеда, на якому ЕдвінХаббл відзначив відкриту змінну зірку (ліворуч) та її детальне зображення, створене телескопом «Хаббл» (праворуч). Ліве зображення: Carnegie Observatories. Праві зображення: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Це пов'язано з тим, що вчений не знав законів, які були відкриті пізніше, що впливають на залежність періоду і світності цефеїд, а також вплив власної швидкості місцевої групи галактик.
Сучасні спостереження дають суперечливірезультати. Вимірювання на основі даних пізнього Всесвіту, аналогічні тим, які проводив Хаббл, але з урахуванням нових даних і потужніших приладів (у тому числі космічного телескопа, названого на честь вченого), передбачають значення космологічної постійної 73 ± 1 км/с на 1 Мпк. А дані, отримані щодо реліктового випромінювання раннього Всесвіту, — 67,4 ± 0,5 (км/с)/Мпк.
Діаграма вимірювання константи космічним телескопом Хаббл.Зображення: NASA, ESA, A.Фейлд (STScI) та А.Рісс (STScI/JHU)
Чи є альтернативи?
У роботі, опублікованій у серпні у журналіPhysical Review Letters, вчені з університету Чикаго пропонують використовувати гравітаційні хвилі, що виникають при зіткненні чорних дір, для вимірювання швидкості розширення Всесвіту.
Ефект, схожий на червоне зміщення, виникає під час поширення гравітаційних хвиль.Зіткнення надмасивних чорних дір, потужна подія, спричиняє гравітаційні хвилі в просторі-часі, які поширюються, як кола по воді, зкаменя, що впав.
Цю «брижі» вимірюють на Землі американськалазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO) та італійська обсерваторія Virgo. За кілька років обидві обсерваторії зібрали дані про зіткнення понад 100 пар чорних дірок.
Сигнал від кожного зіткнення міститьінформацію про те, наскільки масивними були чорні дірки. Але через розширення Всесвіту він спотворюється. В результаті чорна діра, розташована далі, починає здаватися масивнішою.
Вчені пропонують використовувати накопичені дані про чорні діри для того, щоб "відкалібрувати" пристрій.Наприклад, сучасні дані свідчать про те, що більшість чорних дір, які були відкритімають масу від 5 до 40 мас нашого Сонця.
Дослідники вважають, що якщо виміряти масинайближчих до нас пар чорних дірок, що зіштовхуються, а потім поступово рухатися далі, то на великій кількості прикладів можна встановити, як сильно змінюються «спостерігаються» маси чорних дірок у міру збільшення відстані. Саме це значення визначить швидкість розширення Всесвіту.
Ілюстрація злиття двох чорних дірок. Зображення: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project, University of Chicago
Нестача більшості сучасних способівспостереження за розширенням простору в тому, що поки що можуть бути невідомі окремі причини, які спотворюють отриманий результат. Хаббл не знав про всі фактори, що впливають на залежність між світністю та періодичністю пульсації у цефеїд, тому його виміри містили похибки. Також і сучасні уявлення про Всесвіт, матерію та поширення електромагнітних хвиль можуть бути неповними.
На відміну від космологічних спостережень, метод,запропонований вченими з Чикаго, використовує лише теорію гравітації, яка вивчена набагато краще. Отже, з'явився шанс поставити крапку у питанні швидкості розширення Всесвіту.
Читати далі:
Рекордний корональний викид маси на Бетельгейзі в 400 млрд разів більший за сонячний
Мегалодон з'їдав тварину розміром із косатку за раз
На Евересті знайшли сліди ДНК, якої там не повинно бути