Что такое постоянная Хаббла?


Общие сведения

Постоянная Хаббла: данные с различных космических аппаратов

Закон Хаббла – физико-математическая формула, доказывающая, что наша Вселенная постоянно расширяется. Причем расширение космического пространства, в котором находится и наша галактика Млечный путь, характеризуется однородностью и изотропией. То есть, наша Вселенная расширяется одинаково во всех направлениях. Формулировка закона Хаббла доказывает и описывает не только теорию расширение Вселенной, но и главную идею ее происхождения – теорию Большого взрыва.

Наиболее часто в научной литературе закон Хаббла встречается под следующей формулировкой: v=H0*r. В этой формуле v означает скорость галактики, H0 – коэффициент пропорциональности, который связывает расстояние от Земли до космического объекта со скоростью его удаления (этот коэффициент еще называют «Постоянной Хаббла»), r – расстояние до галактики.

В некоторых источниках встречается другая формулировка закона Хаббла: cz=H0*r. Здесь c выступает, как скорость света, а z символизирует собой красное смещение – сдвиг спектральных линий химических элементов в длинноволновую красную сторону спектра по мере их удаления. В физико-теоретической литературе можно обнаружить и другие формулировки данного закона. Однако от разности формулировок суть закона Хаббла не меняется, а его суть заключается в описании того факта, что наша Вселенная непрерывно расширяется во всех направлениях.

Войти на сайт

Известно, что при исследовании спектров галактик наблюдается «красное смещение», то есть, наблюдаемая длина волны какой-то хорошо известной спектральной линии увеличивается, смещается в красную сторону, причем, величина этого смещения зависит от расстояния до галактики. Это явление получило название закона Хаббла.

В связи с этим снова решил «взять перо», чтобы поговорить об окружающих нас «иллюзиях», «миражах» и «мифах», которые постоянно преподносит нам наука. Для того, чтобы их развеять, Л.М. Топтунова заявляет о том, что известную формулу Хаббла:

«следует заменить более точной формулой» В.М. Антонова:

В этих формулах: z – красное смещение (z=Δλ/λ), H – постоянная Хаббла, r – расстояние от нас до галактики, M – масса галактики, B – некий коэффициент пропорциональности (https://subscribe.ru/group/kosmos-galaktiki-nlo-i-inoplanetyane/16187685/). Принципиальным отличием формулы Антонова от формулы Хаббла является обратная зависимость фактора смещения от корня из массы объекта, что, в частности, дает возможность ее апологетам отрицать ускоряющееся расширение Вселенной.

Иногда по отношению к этим формулам применяются определения «неправильная» и «правильная». У меня, откровенно говоря, сразу вызвала подозрение зависимость М-1/2, но подозрения к делу не пришьешь. Покопавшись немного на «правильном» сайте https://www.red-shift.info/, нашел единицы измерения и значение коэффициента B, что дает следующий вид «правильной» формулы:

– численное значение z, если масса измеряется в граммах, а расстояния – в сантиметрах, как я понимаю, используется система СГС. Из такой зависимости Л.М. делает системные выводы: закон Хаббла – фикция, ускоренное расширение Вселенной – фикция, темная энергия – фикция, Большой взрыв – фикция. У нее еще много других фикций, связанных и не связанных с этой формулой. Интересно так же то, что формула Хаббла называется эмпирической (что, конечно же, так и есть), а формула Антонова – теоретической. Однако при этом для определения теоретического коэффициента B откровенно используется значение эмпирической постоянной Хаббла! И еще интереснее, что при получении этой формулы используются формулы Эйнштейна для полной энергии из «неправильной» СТО (https://www.red-shift.info/_private/a_13.htm). Ну, да ладно, дело не в этом.

Судя по информации на этом сайте, формула Антонова должна особенно хорошо выполняться при массах около 1044 г, и расстояниях порядка 1024..1025 см. Покопавшись в различных источниках, я выбрал подряд небольшой список галактик, для которых известны наблюдаемое красное смещение zнабл, расстояние r и масса M. По вышеприведенным формулам в Excel рассчитал красное смещение по Антонову и по Хабблу, и во сколько раз отличаются полученные значения с наблюдаемым (большее деленное на меньшее). Получилось вот такая таблица:

В таблице для простоты масса указана в миллиардах солнечных масс, расстояние – в мегапарсеках, при выполнении расчетов они пересчитывались в граммы и сантиметры соответственно. Значения массы и расстояний примерно соответствуют указанным пределам, исключая последнюю строку.

Из таблицы видно, что в сравнении с наблюдаемыми, полученные значения z по формуле Антонова значительно хуже, чем по формуле Хаббла, за исключением галактики NGC 5248. Поэтому не стоит заменять Хаббла Антоновым. При увеличении масс «правильная» формула ведет себя совершенно неправильно. Да и вообще для M≥100 погрешность формулы очень велика, особенно это видно в последней строчке. Понятно, что формула Хаббла здесь тоже мягко говоря неточна. Хотя и далеко не так, как формула Антонова – сравните: в 3 раза и в 50 раз! Л.М. совершенно справедливо отмечает, что для z>0.5 формула Хаббла неприменима – из таблицы видно, насколько. Неточность по Хабблу при больших r и z объективно обоснована, поскольку точной теоретической формулой будет формула, учитывающая расширение пространства (см., например, https://www.astronet.ru/db/msg/1320286):

здесь t1 – момент излучения фотона, t2 – момент его получения, a(t) – масштабный фактор, определяющий космологическое расширение пространства. Понятно, что с увеличением расстояний влияние масштабного фактора растет. См., например, https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%A4%D1%80%D0%B8%D0%B4%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B0 .

Теперь о том, что «уже есть эксперимент опровергающий гипотезу ускоряющегося расширения Вселенной» – статья Л.М.Топтуновой «Ещё раз о тёмной энергии» в клубе (https://subscribe.ru/group/kosmos-galaktiki-nlo-i-inoplanetyane/16187685/). В очередной раз убедился в том, что Людмила Михайловна любит выдавать желаемое за действительное. В статье утверждается, что по результатам наблюдений получено не увеличение, а уменьшение значения фактора красного смещения с течением времени, что и доказывает не ускорение, а замедление расширения Вселенной. Однако, в источнике, на который она ссылается, говорится, что выполненный эксперимент по длительному наблюдению параметра z различных источников имеет погрешность в 40%. Для того, чтобы можно было обсуждать полученные результаты, требуется увеличение чувствительности эксперимента примерно в 1000 раз, поскольку имеется ряд факторов, искажающих результаты эксперимента. Авторы эксперимента при этом утверждают, что это возможно. А пока, как говорил Марк Твен, «слухи о моей смерти сильно преувеличены».

Выводы:

  1. Не зависящая от фотометрических данных теоретическая формула В.М. Антонова из-за большого расхождения с экспериментом не может заменить формулу Хаббла и вообще неприменима.
  2. Выводы, о красном смещении как функции массы объекта, о расширении Вселенной, о темной энергии и другие, сделанные на основе формулы Антонова, не соответствуют действительности и не могут приниматься во внимание.
  3. Данные эксперимента по прямому измерению временно́го изменения красного смещения галактик ненадежны вследствие низкой точности эксперимента, и самими авторами эксперимента не рассматриваются как опровержение ускорения расширения Вселенной.

Открытие закона

Будущее Вселенной

Возраст и будущее Вселенной может быть определено путем измерения постоянной Хаббла

Предпосылкой к открытию закона Хаббла был целый ряд астрономических наблюдений. Так, в 1913 году американский астрофизик Вейл Слайдер обнаружил, что Туманность Андромеды и несколько других огромных космических объектов движутся с большой скоростью, относительно Солнечной системы. Это дало ученому основание предположить, что туманность – это не формирующиеся в нашей галактике планетарные системы, а зарождающиеся звезды, которые находятся за пределами нашей галактики. Дальнейшее наблюдение за туманностями показало, что они не только являются другими галактическими мирами, но и постоянно удаляются от нас. Этот факт дал возможность астрономическому сообществу предположить, что Вселенная постоянно расширяется.

А Вы смотрели: Спектральный анализ в астрономии

В 1927 году бельгийский ученый-астроном Жорж Леметр экспериментально установил, что галактики во Вселенной удаляются друг от друга в космическом пространстве. В 1929 году американский ученый Эдвин Хаббл при помощи 254-сантиметрового телескопа установил, что Вселенная расширяется и галактики в космическом пространстве удаляются друг от друга. Используя свои наблюдения, Эдвин Хаббл сформулировал математическую формулу, которая по сегодняшний день точно описывает принцип расширения Вселенной, и имеет огромное значение, как для теоретической, так и практической астрономии.

Закон Хаббла

Вселенная > Закон Хаббла

Скорость и расстояние (из бумаг Хаббла 1929 года).

Скорость и расстояние (из бумаг Хаббла 1929 года)

Что такое закон Хаббла: краткое изложение, описание закона, история исследования Эдвина Хаббла, диаграмма, постоянная, измерение красного смещения и расширения.

«Расстояние к объектам за пределами Местной группы тесно связано с тем, как быстро они отдаляются». Так звучит кратко закон Хаббла, представляющий его взгляд на галактики. Что ж, давайте взглянем на это изречение более углубленно, затронув закон Хаббла и красное смещение.

Эдвин Хаббл – астроном, в чью честь назвали космический телескоп, позволяющий добыть удивительные фото галактик и удаленных объектов Вселенной. Именно ученому приписывают первенство в появлении известной космической постоянной. Вот, что он писал в статье: «Данные в таблице (галактики) указывают на линейную корреляцию между расстояниями и скоростями». Схематически это выглядит так: v = Hd, где v – скорость отдаляющегося объекта, d – расстояние, а H – постоянная Хаббла.

В современном мире этот закон выражается в виде соотношения красного смещения и галактического расстояния. Он стал первым прямым доказательством того, что общая теория относительности применяется ко всей Вселенной, что 2 года до этого доказывал Жорж Леметр (в его статье также выведена константа). Универсальность теории лежит и в основе Большого Взрыва, а также в нашем видении расширяющегося пространства.

Расширяющая Вселенная: Хаббл или Леметр?

Конечно, огромную часть работы по измерению красных смещений выполнили другие астрономы (как Весто Силфер), но именно Хаббл создал методы оценки дистанции к галактикам и собрал все вместе, чтобы продемонстрировать связь между расстоянием и скоростью.

Но Закон Хаббла не всегда точен. В некоторых галактиках красное смещение отличается от предсказанного. Особенно сильно это видно в галактических скоплениях и объясняется общим движением в локальных группах или взаимным притяжением.

Однако точное значение постоянной Хаббла невероятно важно, так как от него зависит вычисление возраста Вселенной и помогает проверить теорию темной материи и темной энергии. Сейчас оно достигает 71 км/с на мегапарсек (+/-7). Это примерно 21 км/с на миллион световых лет. То есть, объект, расположенный в миллионе световых лет, будет удаляться от нас на скорости в 21 км/с.

Наиболее критичный пересмотр постоянной осуществили в 1998 году, когда обнаружилось, что Вселенная не просто расширяется, но еще и ускоряется в этом процессе. С этого момента и начинает фигурировать темная энергия.

Насколько большая Вселенная?

Какая форма у Вселенной?

Каким будет конец всего?

Возраст Вселенной

Сколько звезд во Вселенной?

Почему космос черный?

Вся информация о Вселенной

Материалы по теме

Горизонт событий

Закон Хаббла

Главное значение закона Хаббла для астрономии заключается в том, что он подтверждает постулат: Вселенная постоянно расширяется. Вместе с этим закон Хаббла служит дополнительным подтверждением теории Большого взрыва, ведь, как считают современные ученые, именно Большой взрыв послужил толчком для расширения «материи» Вселенной.

Закон Хаббла позволил выяснить также, что Вселенная расширяется во всех направлениях одинаково. В какой точке космического пространства не оказался бы наблюдатель, если он посмотрит вокруг себя, он заметит, что все объекты вокруг него одинаково от него удаляются. Наиболее удачно этот факт можно выразить цитатой философа Николая Кузанского, который еще в XV веке сказал: «Любая точка есть центр Безграничной Вселенной».

При помощи закона Хаббла современные астрономы могут с высокой долей вероятности просчитывать положение галактик и скоплений галактик в будущем. Точно так же с его помощью можно вычислить предположительное месторасположение любого объекта в космическом пространстве, спустя определенное количество времени.

Найдено объяснение различным значениям постоянной Хаббла

Исследователь из Женевского университета Лукас Ломбризер нашел объяснение различиям в значениях постоянной Хаббла, измеренных разными методами. Статья ученого опубликована в журнале Physics Letters B.

Впервые предположение об ускоренном расширении Вселенной было сделано бельгийским физиком Жоржем Леметром и описано Эдвином Хабблом. В 1929 году последний показал, что каждая галактика отдаляется от нас, и что самые отдаленные галактики движутся наиболее быстро. Это говорит о том, что в прошлом было время, когда все галактики были расположены в одном и том же месте. Это время может соответствовать только Большому взрыву.

Из закона Хаббла — Леметра выводится постоянная Хаббла (H), которая обозначает скорость расширения Вселенной. Лучшие оценки H сегодня находятся в пределах около 70 км/с на мегапарсек (это означает, что Вселенная расширяется на 70 километров в секунду быстрее каждые 3,26 миллиона световых лет). Проблема заключается в том, что существуют два противоречивых метода расчета.

Первый основан на реликтовом излучении. Оно приходит к нам отовсюду, с тех времен, когда Вселенная стала достаточно холодной, чтобы свет мог свободно перемещаться по ней, — примерно 370 тысяч лет после Большого взрыва. Используя точные данные, полученные космическим телескопом Planck, и учитывая тот факт, что Вселенная однородна и изотропна, астрономы смогли получить значение постоянной Хаббла в 67,4 км/с/Мпк. Второй метод расчета основан на сверхновых, которые появляются в далеких галактиках. Эти очень яркие события позволяют точно вычислять расстояния. С помощью сверхновых ученые получили значение H, равное 74 км/с/Мпк — на 10% больше, чем первым методом.

Объяснить такие различия долгое время не удавалось. Лукас Ломбризер, профессор кафедры теоретической физики факультета естественных наук Женевского университета, высказал гипотезу, что Вселенная не так однородна, как утверждается. Нет никакого сомнения, что материя распределена внутри Галактики иначе, чем за ее пределами. Однако гораздо труднее представить себе колебания средней плотности материи в пространстве, которое в тысячи раз превышает размеры нашей Галактики.

«Если бы мы находились в некоем гигантском «пузыре», где плотность материи была бы значительно ниже известной плотности для всей Вселенной, это сказалось бы на измерении расстояний до сверхновых и, в конечном счете, на определении значениия H», — отмечает Ломбризер.

Чтобы эта гипотеза была возможной, «пузырю» нужно быть достаточно большим, чтобы вместить галактику, которая служит эталоном для измерения расстояний. Установив диаметр этого пузыря в 250 миллионов световых лет, физик рассчитал, что если плотность материи внутри него будет на 50% ниже, чем для остальной Вселенной, то будет получено новое значение постоянной Хаббла, которое согласуется с значениями, полученным с помощью анализа реликтового излучения.

Интересные факты

  1. Величина, обратная постоянной Хаббла, равна примерно 13,78 миллиардам лет. Эта величина указывает на то, сколько времени прошло с момента начала расширения Вселенной, а значит, вполне вероятно указывает и на ее возраст.
  2. Наиболее часто закон Хаббла используют для определения точных расстояний до объектов в космическом пространстве.

А Вы смотрели: Ферми-газ — газ, состоящий из частиц с полуцелым спином

3. Закон Хаббла определяет удаление от нас далеких галактик. Что касается ближайших к нам галактик, то здесь его действие не так ярко выражено. Связано это с тем, что эти галактики помимо скорости, связанной с расширением Вселенной, обладают еще и своей собственной скоростью. В связи с этим они могут, как удаляться от нас, так и приближаться к нам. Но, в общем и целом закон Хаббла актуален для всех космических объектов во Вселенной.

Источник

Hardwired

Кажущаяся скорость удаления галактики от нас прямо пропорциональна расстоянию до нее. Вернувшись с первой мировой войны, Эдвин Хаббл устроился на работу в высокогорную астрономическую обсерваторию Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, которая в те годы была лучшей в мире по оснащенности. Используя ее новейший телескоп-рефлектор с диаметром главного зеркала 2,5 м, он провел серию любопытных измерений, навсегда перевернувших наши представления о Вселенной.

Вообще-то, Хаббл намеревался исследовать одну застаревшую астрономическую проблему — природу туманностей. Эти загадочные объекты, начиная с XVIII века, волновали ученых таинственностью своего происхождения. К XX веку некоторые из этих туманностей разродились звездами и рассосались, однако большинство облаков так и остались туманными — и по своей природе, в частности. Тут ученые и задались вопросом: а где, собственно, эти туманные образования находятся — в нашей Галактике? или часть из них представляют собой иные «островки Вселенной», если выражаться изощренным языком той эпохи? До ввода в действие телескопа на горе Уилсон в 1917 году этот вопрос стоял чисто теоретически, поскольку для измерения расстояний до этих туманностей технических средств не имелось.

Начал свои исследования Хаббл с самой, пожалуй, популярной с незапамятных времен туманности Андромеды. К 1923 году ему удалось рассмотреть, что окраины этой туманности представляют собой скопления отдельных звезд, некоторые из которых принадлежат к классу переменных цефеид

(согласно астрономической классификации). Наблюдая за переменной цефеидой на протяжении достаточно длительного времени, астрономы измеряют период изменения ее светимости, а затем по зависимости период—светимость определяют и количество испускаемого ею света.

Чтобы лучше понять, в чем заключается следующий шаг, приведем такую аналогию. Представьте, что вы стоите в беспросветно темной ночи, и тут вдалеке кто-то включает электрическую лампу. Поскольку ничего, кроме этой далекой лампочки, вы вокруг себя не видите, определить расстояние до нее вам практически невозможно. Может, она очень яркая и светится далеко, а может, тусклая и светится неподалеку. Как это определить? А теперь представьте, что вам каким-то образом удалось узнать мощность лампы — скажем, 60, 100 или 150 ватт. Задача сразу упрощается, поскольку по видимой светимости вы уже сможете примерно оценить геометрическое расстояние до нее. Так вот: измеряя период изменения светимости цефеиды, астроном находится примерно в той же ситуации, как и вы, рассчитывая расстояние до удаленной лампы, зная ее светосилу (мощность излучения).

Первое, что сделал Хаббл, — рассчитал расстояние до цефеид на окраинах туманности Андромеды, а значит, и до самой туманности: 900 000 световых лет (более точно рассчитанное на сегодняшний день расстояние до галактики Андромеды, как ее теперь называют, составляет 2,3 миллиона световых лет. — Прим. автора

) — то есть туманность находится далеко за пределами Млечного Пути — нашей галактики. Пронаблюдав эту и другие туманности, Хаббл пришел к базовому выводу о структуре Вселенной: она состоит из набора огромных звездных скоплений —
галактик
. Именно они и представляются нам в небе далекими туманными «облаками», поскольку отдельных звезд на столь огромном удалении мы рассмотреть попросту не можем. Одного этого открытия, вообще-то, хватило бы Хабблу для всемирного признания его заслуг перед наукой.

Ученый, однако, этим не ограничился и подметил еще один важный аспект в полученных данных, который астрономы наблюдали и прежде, но интерпретировать затруднялись. А именно: наблюдаемая длина спектральных световых волн, излучаемых атомами удаленных галактик, несколько ниже длины спектральных волн, излучаемых теми же атомами в условиях земных лабораторий. То есть в спектре излучения соседних галактик квант света, излучаемый атомом при скачке электрона с орбиты на орбиту, смещен по частоте в направлении красной части спектра по сравнению с аналогичным квантом, испущенным таким же атомом на Земле. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта Доплера, а это означает, что все наблюдаемые соседние галактики удаляются

от Земли, поскольку практически у всех галактических объектов за пределами Млечного Пути наблюдается именно
красное
спектральное смещение, пропорциональное скорости их удаления.

Самое главное, Хабблу удалось сопоставить результаты своих измерений расстояний до соседних галактик (по наблюдениям переменных цефеид) с измерениями скоростей их удаления (по красному смещению). И Хаббл выяснил, что чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Это самое явление центростремительного «разбегания» видимой Вселенной с нарастающей скоростью по мере удаления от локальной точки наблюдения и получило название закона Хаббла. Математически он формулируется очень просто:

v = Hr

где v

— скорость удаления галактики от нас,
r
— расстояние до нее, а
H
— так называемая
постоянная Хаббла
. Последняя определяется экспериментально, и на сегодняшний день оценивается как равная примерно 70 км/(с·Мпк) (километров в секунду на мегапарсек; 1 Мпк приблизительно равен 3,3 миллионам световых лет). А это означает, что галактика, удаленная от нас на расстояние 10 мегапарсек, убегает от нас со скоростью 700 км/с, галактика, удаленная на 100 Мпк, — со скоростью 7000 км/с, и т. д. И, хотя изначально Хаббл пришел к этому закону по результатом наблюдения всего нескольких ближайших к нам галактик, ни одна из множества открытых с тех пор новых, всё более удаленных от Млечного Пути галактик видимой Вселенной из-под действия этого закона не выпадает.

Итак, главное и — казалось бы — невероятное следствие закона Хаббла: Вселенная расширяется! Мне этот образ нагляднее всего представляется так: галактики — изюмины в быстро всходящем дрожжевом тесте. Представьте себя микроскопическим существом на одной из изюмин, тесто для которого представляется прозрачным: и что вы увидите? Поскольку тесто поднимается, все прочие изюмины от вас удаляются, причем чем дальше изюмина, тем быстрее она удаляется от вас (поскольку между вами и далекими изюминами больше расширяющегося теста, чем между вами и ближайшими изюминами). В то же время, вам будет представляться, что это именно вы находитесь в самом центре расширяющегося вселенского теста, и в этом нет ничего странного — если бы вы оказались на другой изюмине, вам всё представлялось бы в точности так же. Так и галактики разбегаются по одной простой причине: расширяется сама ткань мирового пространства. Все наблюдатели (и мы с вами не исключение) считают себя находящимися в центре Вселенной. Лучше всего это сформулировал мыслитель XV века Николай Кузанский: «Любая точка есть центр безграничной Вселенной».

Однако закон Хаббла подсказывает нам и еще кое-что о природе Вселенной — и это «кое-что» является вещью просто-таки экстраординарной. У Вселенной было начало во времени. И это весьма несложное умозаключение: достаточно взять и мысленно «прокрутить назад» условную кинокартину наблюдаемого нами расширения Вселенной — и мы дойдем до точки, когда всё вещество мироздания было сжато в плотный комок протоматерии, заключенный в совсем небольшом в сопоставлении с нынешними масштабами Вселенной объеме. Представление о Вселенной, родившейся из сверхплотного сгустка сверхгорячего вещества и с тех пор расширяющейся и остывающей, получило название теории Большого взрыва, и более удачной космологической модели происхождения и эволюции Вселенной на сегодня не имеется. Закон Хаббла, кстати, помогает также оценить возраст Вселенной (конечно, весьма упрощенно и приблизительно). Предположим, что все галактики с самого начала удалялись от нас с той же скоростью v

, которую мы наблюдаем сегодня. Пусть
t
— время, прошедшее с начала их разлета. Это и будет возраст Вселенной, и определяется он соотношениями:

v

x
t
=
r,
или
t = r
/
V
Но ведь из закона Хаббла следует, что

r

/
v
= 1/
H
где Н

— постоянная Хаббла. Значит, измерив скорости удаления внешних галактик и экспериментально определив
Н
, мы тем самым получаем и оценку времени, в течение которого галактики разбегаются. Это и есть предполагаемое время существования Вселенной. Постарайтесь запомнить: по самым последним оценкам, возраст нашей Вселенной составляет около 15 миллиардов лет, плюс-минус несколько миллиардов лет. (Для сравнения: возраст Земли оценивается в 4,5 миллиардов лет, а жизнь на ней зародилась около 4 миллиардов лет назад.)

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: