Билет 24. Закон Хаббла. Красное смещение спектров и объяснение эффектов.

Хаббл измерил расстояние до ближайших галактик и тем самым открыл мир галактик. Так же Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретические выводы Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон – закон Хаббла.

ХАББЛА ЗАКОН – закон, согласно которому между расстояниями D до галактик и скоростями их удаления Vr существует линейная зависимость. Математическая форма записи закона Хаббла:

D = Vr/Н0, или D = (cDl/l)/H0 , где с – скорость света, Dl/l – относительное увеличение длин волн спектральных линий в спектрах галактик (эта величина называется красным смещением), а Н0 – постоянная величина, называемая постоянной Хаббла. Закон Хаббла установлен Э.Хабблом для галактик, до которых было определено расстояние по ярчайшим звездам. Позднее он был подтвержден по наблюдениям большого количества галактик и объяснен в рамках теории расширяющейся Вселенной. Значение Н0 определяется по наблюдениям галактик, расстояния до которых измерены без помощи красного смещения. Большинство независимых оценок Н0 дают для этого параметра значение 70–80 км/с на мегапарсек. Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью 7000–8000 км/с. В процессе расширения Вселенной постоянная Хаббла должна уменьшаться, и индекс «0» при ее обозначении указывает на то, что величина Н0 относится к современной эпохе. Проблема оценки Н0 осложняется тем, что, помимо космологических скоростей, обусловленных расширением Вселенной, галактики еще обладают собственными скоростями, которые могут составлять несколько сотен км/с (для членов массивных скоплений – более 1000 км/с). Это приводит к тому, что з. Х. плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии ближе 10–15 млн. св. лет, т.е. как раз для тех галактик, расстояния до которых наиболее надежно определяются без красного смещения. Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на очень больших расстояниях (в миллиарды св.лет), которым соответствует величина Dl/l > 1. Расстояния до объектов с таким большим красным смещением теряют однозначность, поскольку зависят от принимаемой модели Вселенной и от того, к какому моменту времени они отнесены. В качестве меры расстояния в этом случае обычно используется только красное смещение.

Красное смещение

Этот эффект состоит в том, что хорошо известные спектральные линии химических элементов оказываются смещенными от своего положения в красную сторону в спектрах внегалактических объектов.

Величина космологического красного смещения прямо пропорциональна расстоянию до объекта. Это явление можно объяснить эффектом Доплера, вызванным “разбеганием” объектов. Закон Хаббла, связывая величину красного смещения в спектре электромагнитного излучения объекта с расстоянием до него, позволяет это расстояние определять.

Для количественной характеристики эффекта красного смещения используется, так называемый, космологический фактор “Z”. Он определяется отношением величины смещения какой-либо спектральной линии в спектре наблюдаемого объекта к длине волны этой линии в спектре неподвижного относительно наблюдателя источника излучения. В космологии принято указывать расстояния до объектов именно в шкале их красных смещений. Кроме того, космологический фактор позволяет оценивать период времени прошедшего от начальной стадии Большого взрыва до того момента, когда наблюдаемый объект испустил зарегистрированное нами излучение.

Наибольшее красное смещение имеет реликтовое излучение. Для него Z примерно равно 1400. Оно возникло в период от 300 тысяч до 1 миллиона лет после начала Большого взрыва, т.е., в масштабах возраста Вселенной, в самом начале ее эволюции. Самые отдаленные из наблюдаемых ныне объектов имеют красное смещение не более 7. Однако когда наблюдательные средства позволят нам наблюдать протогалактики – первичные гигантские сгущения вещества, их красные смещения, как ожидается, окажутся в переделах 10 – 20. Этот период относится примерно к 100 миллионам лет от начала Большого взрыва, т.е. шкала красных смещений не линейна.

Красное смещение линий наблюдается и в спектрах звезд, что обусловлено их мощным гравитационным полем . Фотоны теряют часть своей энергии на преодоление тяготения, становятся менее энергичными, т.е. “краснеют”.