Закон Хаббла Кажущаяся скорость удаления галактики от нас прямо пропорциональна расстоянию до нее. Скорость движения солнца и галактики во вселенной Все галактики удаляются от земли со скоростью
В относительной близости от нашей галактики Млечный Путь астрономы обнаружили несколько мелких галактик, заставивших их задуматься об известных им законах тяготения. Эти галактики образуют целое кольцо диаметром 10 млн световых лет и разлетаются от нас с такой высокой скоростью, что ученые не могут найти внятного объяснения столь быстрому разлету.
Находя аналогии между обнаруженной структурой и Большим взрывом, ученые уверены, что сформирована она была и получила скорость за счет сближения Млечного Пути и галактики Андромеды в далеком прошлом.
Проблема в одном: ученые не могут понять, почему при таком разлете эти мелкие галактики получили такую высокую скорость.
«Если теория гравитации Эйнштейна верна, наша галактика никогда не могла бы подойти столь близко к Андромеде, чтобы выбросить что-то с подобной скоростью», — пояснил Чжао Хуншэн из Сент-Эндрюсского университета (Шотландия), автор исследования, опубликованного в журнале MNRAS .
Чжао с коллегами изучают движения этого кольца мелких галактик, которые вместе с Млечным Путем и галактикой Андромеды входят в состав так называемой Местной группы, включающей минимум 54 галактики. Нашу спиральную галактику Млечный Путь и соседнюю галактику Андромеды разделяют 2,5 млн световых лет, однако в отличие от большинства известных галактик наша соседка не удаляется от нас, а летит навстречу со скоростью более 400 км/c.
Используя в расчетах Стандартную космологическую модель (так называемая ΛCDM-модель), ученые предполагают, что через 3,75 млрд лет две галактики должны столкнуться, а еще через несколько миллиардов лет это столкновение приведет к сильному разрушению обеих галактик и образованию новой. Но если эти галактики сближаются сейчас, то могли ли они сближаться в прошлом?
В 2013 году команда Чжао предположила , что 7-11 млрд лет назад Млечный Путь и Андромеда уже пролетали мимо друг друга на весьма близком расстоянии.
Это породило в них «цунамиподобные» волны, благодаря которым наружу были выброшены более мелкие галактики, которые и наблюдаются сегодня разлетающимися от нас.
Подобные сближения двух галактик известны астрономам (на иллюстрации к заметке — сближение галактик NGC 5426 and NGC 5427). Однако разлетаются они слишком быстро. «Высокие галактоцентрические радиальные скорости некоторых галактик Местной группы были вызваны действовавшими на них силами, которые наша модель не учитывает», — заключили они в статье. Более того, в общем прошлом Млечного Пути, Андромеды и этих разлетающихся галактик сомневаться не приходится хотя бы потому, что находятся они примерно в одной плоскости, аргументируют ученые.
«Кольцеобразное распределение — очень специфическое. Эти небольшие галактики выглядят как капли дождя, разлетающиеся от вращающегося зонтика, — пояснил соавтор исследования Индранил Баник.
— По моим оценкам, шанс, что случайно распределенные галактики выстроятся подобным образом, составляет 1/640.
Я проследил их происхождение до динамического события, которое произошло, когда Вселенная была в два раза моложе».
ΛCDM-модель — , учитывающая наличие во Вселенной обычной (барионной материи, темной энергии, описываемой в уравнениях Эйнштейна в виде постоянной Λ) и холодной темной материи.
Проблема описанного сценария разлета мелких галактик не только в гипотетическом нарушении модели ΛCDM. Расчеты показывают, что столь тесное сближение Млечного Пути и Андромеды в прошлом должно было привести к их слиянию, чего, как известно, не произошло.
«Столь высокая скорость (разлета галактик) требует в 60 раз большей массы звезд, чем мы наблюдаем сегодня в Млечном Пути и Андромеде. Однако трение, возникшее бы между массивным гало из темной материи в центре галактик и этими звездами, привело бы к их слиянию, а не к разлету на 2,5 млн световых лет, который произошел», — пояснил Баник.
«Наука развивается через вызовы, — считает Марсел Павловски, астрофизик из Калифорнийского университета в Ирвайне. — Это гигантское кольцо создает серьезный вызов стандартной парадигме».
Если кто-то думает, что слово «разбегаться» имеет сугубо спортивный, в крайнем случае, «антисупружеский» характер, то ошибается. Существуют куда более интересные толкования. К примеру, космологический Закон Хаббла свидетельствует о том, что разбегаются… галактики!
Три вида туманностей
Представьте: в черном, огромном безвоздушном пространстве звездные системы тихо и медленно удаляются друг от друга: «Прощай! Прощай! Прощай!». Пожалуй, оставим в стороне «лирические отступления» и обратимся к научным сведениям. В 1929 году самый влиятельный астроном XX века американский ученый Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-1953) пришел к выводу: происходит неуклонное расширение Вселенной.
Человек, всю свою сознательную жизнь посвятивший разгадке структуры космоса, родился в Маршфилде С младых ногтей интересовался астрономией, хотя в итоге стал дипломированным юристом. После окончания Кембриджского университета Эдвин работал в Чикаго, в Йоркской обсерватории. В Первую мировую войну (1914-1918 гг.) воевал. Фронтовые годы лишь отодвинули открытие во времени. Сегодня весь ученый мир знает, что такое постоянная Хаббла.
На пути к открытию
Возвратившись с фронта, ученый обратил свой взор на высокогорную обсерваторию Маунт-Вилсон (штат Калифорния). Его приняли туда на работу. Влюбленный в астрономию, молодой человек проводил немало времени, глядя в объективы огромных телескопов размером в 60 и 100 дюймов. Для того времени - крупнейшие, почти фантастика! Над приборами изобретатели работали почти десятилетие, добиваясь максимально возможного увеличения и четкости изображения.
Напомним, видимая граница Вселенной именуется Метагалактикой. Она исходит к состоянию на момент Большого Взрыва (космологическая сингулярность). Современные положения гласят, что значения физических постоянных однородны (имеется в виду скорость света, элементарный заряд и др.). Считается, что Метагалактика вмещает 80 миллиардов галактик (удивительная цифра звучит еще так: 10 секстиллионов и 1 септильонов звезд). Форма, масса и размер - для Вселенной это совершенно иные, нежели принятые на Земле, понятия.
Загадочные цефеиды
Чтобы обосновать теорию, объясняющую расширение Вселенной, потребовались продолжительные глубокие исследования, сложные сопоставления и вычисления. В начале двадцатых годов XX века вчерашний солдат наконец смог классифицировать туманности, наблюдаемые отдельно от Млечного пути. Согласно его открытию, они спиральные, эллиптические и неправильные (три вида).
В ближайшей к нам но не самой близкой спиральной туманности Андромеды, Эдвин разглядел цефеиды (класс пульсирующих звезд). Закон Хаббла стал как никогда близок к своему окончательному формированию. Астроном вычислил расстояние до этих маячков и размеры крупнейшей Согласно его выводам, Андромеда содержит примерно один триллион звезд (в 2,5-5 раз больше Млечного пути).
Константа
Некоторые ученые, объясняя природу цефеидов, сравнивают их с надувными резиновыми мячами. Они то увеличиваются, то уменьшаются, то приближаются, то отдаляются. Лучевая скорость при этом колеблется. При сжатии температура «путешественниц» увеличивается (хотя поверхность уменьшается). Пульсирующие звезды представляют собой необычный маятник, который, рано или поздно, остановится.
Как и остальные туманности, Андромеда охарактеризована ученым, как островное вселенское пространство, напоминающее нашу галактику. В 1929 году Эдвин обнаружил: лучевые скорости галактик и их расстояния взаимосвязаны, линейно зависимы. Был определен коэффициент, выражаемый в км/с на мегапарсек так называемая постоянная Хаббла. Расширяется Вселенная - меняется константа. Но в конкретный момент во всех точках системы мироздания она одинакова. В 2016 году - 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк.
Представления о системе мироздания, продолжающей эволюцию, расширяющейся, тогда получили наблюдательную основу. Процесс активно изучался астрономом до самого начала Второй мировой войны. В 1942 году он возглавил Отдел внешней баллистики на Абердинском испытательном полигоне (США). Разве об этом мечтал сподвижник, пожалуй, самой загадочной науки на свете? Нет, ему хотелось «расшифровывать» законы потаенных уголков далеких галактик! Что касается политических взглядов, то астроном открыто осуждал лидера Третьего рейха Адольфа Гитлера. На исходе своей жизни Хаббл прослыл мощным противником применения оружия массового поражения. Но вернемся к туманностям.
Великий Эдвин
Многие астрономические константы со временем корректируются, появляются новые открытия. Но все они не идут в сравнение с Законом расширения Вселенной. Знаменитого астронома XX века Хаббла (со времен Коперника равных ему не было!) ставят в один ряд с основателем экспериментальной физики Галилео Галилеем и автором новаторского вывода о существовании звездных систем Уильямом Гершелем.
Еще до того, как был открыт закон Хаббла, его автор стал членом Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, позже академий в разных странах, имеет множество наград. Многие, наверное, слышали про то, что свыше десяти лет назад выведен на орбиту и успешно действует космический телескоп «Хаббл». Это имя носит одна из малых планет, вращающихся между орбитами Марса и Юпитера (астероид).
Будет не совсем справедливо утверждать, что астроном только и мечтал об увековечивании своего имени, но есть косвенные свидетельства того, что Эдвин любил привлечь внимание. Сохранились фото, где он весело позирует рядом с кинозвездами. Чуть ниже мы расскажем о его попытках «зафиксировать» достижение на лауреатском уровне, еще и таким образом войти в историю космологии.
Метод Генриетты Ливитт
Знаменитый британский астрофизик в своей книге «Краткая история времени» писал, что «открытие того, что Вселенная расширяется, стало величайшей интеллектуальной революцией XX века». Хаббл был достаточно удачлив, чтобы оказаться в нужном месте в нужное время. Обсерватория Маунт-Вильсон являлась центром наблюдательной работы, лежащей в основе новой астрофизики (позже получившей название космологии). Самый мощный на Земле телескоп Хукера тогда только вступил в строй действующих.
Но постоянная Хаббла вряд ли была открыта лишь на основании везения. Требовались терпение, упорство, умение побеждать научных соперников. Так американский астроном Харлоу Шепли предлагал свою модель Галактики. Его уже знали, как ученого, определившего размеры Млечного Пути. Он широко применял методику определения расстояний по цефеидам, используя методику, составленную в 1908 году Генриеттой Суон Ливитт. Она устанавливала расстояние до объекта, опираясь на стандартные вариации света от ярких звезд (переменные цефеиды).
Не пыль и газ, а другие галактики
Харлоу Шепли считал, что ширина галактики 300 000 световых лет (приблизительно в десять раз выше допустимого значения). Однако Шепли, как и большинство астрономов того времени, был уверен: Млечный Путь - это и есть вся Вселенная. Несмотря на предположение, впервые сделанное Уильямом Гершелем в XVIII веке, он разделял распространенное мнение, что все туманности для относительно близлежащих объектов - всего лишь пятна пыли и газа в небе.
Сколько горьких, холодных ночей провел Хаббл, сидя у мощного телескопа Хукера, прежде чем смог доказать, что Шепли не прав. В октябре 1923 года Эдвин заметил в М31 туманности (созвездие Андромеды) «вспыхнувший» объект и предположил, что он не относится к Млечному Пути. После тщательного изучения фотопластин, на которых была запечатлена та же площадь, ранее исследованная другими астрономами, в том числе, Шепли, Эдвин понял, что это цефеида.
Обнаружен Космос
Хаббл использовал метод Шепли для измерения расстояния до переменной звезды. Оказалось, что оно исчисляется миллионами световых лет от Земли, что находится далеко за пределами Млечного Пути. Сама галактика содержит миллионы звезд. Известная Вселенная резко расширилась в тот же день и - в некотором смысле - был обнаружен сам Космос!
Газета "Нью-Йорк Таймс" писала: "Обнаруженные спиральные туманности являются звездными системами. Доктор Hubbel (так в оригинале) подтверждает мнение, что они похожи на "островные вселенные", похожие на нашу собственную". Открытие имело большое значение для астрономического мира, но величайший момент Хаббла был еще впереди.
Никакой статичности
Как мы говорили, победа к «Копернику №2» пришла в 1929 году, когда он классифицировал все известные туманности и измерил их скорости от спектров излучаемого света. Его поразительная находка, что все галактики отступают от нас со скоростями, увеличивающимися пропорционально их удаленности от Млечного Пути, потрясла мир. Закон Хаббла отменил традиционное представление о статической Вселенной и показал, что сама она полна динамики. Сам Эйнштейн склонял голову перед столь потрясающей наблюдательностью.
Автор теории относительности подкорректировал собственные уравнения, которыми обосновывал расширение Вселенной. Теперь Хаббл показал, что Эйнштейн был прав. Хаббловское время - величина, обратная постоянной Хаббла (t H = 1/H). Это характерное время расширения Вселенной на текущий момент.
Взорвались и разлетелись
Если постоянная в 2016 году равна 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпк, то расширение в настоящее время характеризуется следующими цифрами: (4,61 ± 0,05)·10 17 с или (14,610 ± 0,016)·10 9 лет. И снова немного юмора. Оптимисты говорят: это хорошо, что галактики «разбегаются». Если представить, что они сближаются, рано или поздно наступил бы Большой взрыв. Но именно с него началось зарождение Вселенной.
Галактики «рванули» (начали движение) в разные стороны одновременно. Если бы скорость удаления не была пропорциональной расстоянию - теория взрыва бессмысленна. Еще одна производная константа - хаббловское расстояние - произведение времени на скорость света: D H = ct H = c/H. В текущий момент - (1,382 ± 0,015)·10 26 м или (14,610 ± 0,016)·10 9 световых лет.
И снова о надувном шаре. Есть мнение, что даже астрономы не всегда правильно трактуют расширение Вселенной. Часть знатоков считает, что она раздувается, словно резиновый шар, не ведая никаких физических ограничений. Сами галактики при этом не только удаляются от нас, но и хаотично «суетятся» внутри неподвижных скоплений. Иные уверяют, что дальние галактики «уплывают» осколками Большого взрыва, но делают это степенно.
Мог бы стать Нобелевским лауреатом
Хаббл пытался получить Нобелевскую премию. В конце 1940-х годов даже нанимал рекламного агента (сейчас его назвали бы пиар-менеджер), чтобы тот продвинул дело. Но усилия были напрасными: категории для астрономов не существовало. Эдвин умер в 1953 году, в ходе научных изысканий. В течение нескольких ночей он наблюдал внегалактические объекты.
Его последняя честолюбивая мечта осталась несбывшейся. Но ученый наверняка бы порадовался тому, что в его честь назван космический телескоп. И поколения братьев по разуму продолжают исследовать огромное и чудесное пространство. Оно до сих пор таит немало загадок. Сколько открытий впереди! И производные постоянные Хаббла, наверняка, помогут кому-то из молодых ученых стать «Коперником №3».
Оспаривая Аристотеля
Что будет доказано или опровергнуто, как тогда, когда в пух и прах полетела теория о бесконечности, вечности и неизменности пространства вокруг Земли, которую поддерживал сам Аристотель? Он приписывал Вселенной симметрию и совершенство. Космологический принцип подтвердил: все течет, все изменяется.
Есть мнение, что через миллиарды лет небеса будут пусты и темны. Расширение «унесет» галактики за космический горизонт, откуда свет не сможет дойти до нас. Будет ли актуальна постоянная Хаббла для пустой Вселенной? Что станет с наукой космологией? Она исчезнет? Все это предположения.
Красное смещение
Пока же телескоп «Хаббл» сделал снимок, который свидетельствует: до вселенской пустоты нам пока далеко. В профессиональной среде в ходу мнение, что ценно открытие Эдвина Хаббла, но не его закон. Однако именно он был почти сразу признан в научных кругах того времени. Наблюдения «красного смещения» не просто завоевало право на существование, оно актуально и в XXI веке.
И сегодня, определяя расстояние до галактик, опираются на супероткрытие ученого. Оптимисты утверждают: даже если наша галактика останется единственной, «скучать» нам не придется. Будут существовать миллиарды карликовых звезд и планет. А значит, рядом с нами по-прежнему будут «параллельные миры», которые нужно будет исследовать.
Весьма советуем с ним познакомиться. Там Вы найдете много новых друзей. Кроме того, это наиболее быстрый и действенный способ связаться с администраторами проекта. Продолжает работать раздел Обновления антивирусов - всегда актуальные бесплатные обновления для Dr Web и NOD. Не успели что-то прочитать? Полное содержание бегущей строки можно найти по этой ссылке .
В данной статье рассматривается скорость движения Солнца и Галактики относительно разных систем отсчета:
Скорость движения Солнца в Галактике относительно ближайших звезд, видимых звезд и центра Млечного Пути;
Скорость движения Галактики относительно местной группы галактик, удаленных звездных скоплений и реликтового излучения.
Краткая характеристика Галактики Млечный Путь.
Описание Галактики.
Прежде чем приступить к изучению скорости движения Солнца и Галактики во Вселенной, познакомимся с нашей Галактикой поближе.
Мы живем как бы в гигантском «звездном городе». Вернее – в нем «живет» наше Солнце. Населением этого «города» являются разнообразные звезды, и «проживает» их в нем более двухсот миллиардов. Несметное множество солнц рождается в нем, переживает свою молодость, средний возраст и старость – проходят долгий и сложный жизненный путь, длящийся миллиарды лет.
Громадны размеры этого «звездного города» - Галактики. Расстояния между соседними звездами в среднем равны тысячам миллиардов километров (6*1013 км). А таких соседей свыше 200 миллиардов.
Если бы мы со скоростью света (300 000 км/сек) мчались от одного конца Галактики до другого, на это ушло бы около 100 тысяч лет.
Вся наша звездная система медленно вращается, как гигантское колесо, состоящее из миллиардов солнц.
Орбита Солнца
В центре Галактики, по всей видимости, располагается сверхмассивная чёрная дыра (Стрелец A*) (около 4,3 миллиона солнечных масс) вокруг которой, предположительно, вращается чёрная дыра средней массы от 1000 до 10 000 масс Солнца и периодом обращения около 100 лет и несколько тысяч сравнительно небольших. Их совместное гравитационное действие на соседние звёзды заставляет последние двигаться по необычным траекториям. Существует предположение, что большинство галактик имеет сверхмассивные чёрные дыры в своем ядре.
Для центральных участков Галактики характерна сильная концентрация звёзд: в каждом кубическом парсеке вблизи центра их содержатся многие тысячи. Расстояния между звёздами в десятки и сотни раз меньше, чем в окрестностях Солнца.
Ядро Галактики с огромной силой притягивает все остальные звезды. Но громадное количество звезд расселено и по всему «звездному городу». А они тоже притягивают друг друга в разных направлениях, и это сложно влияет на движение каждой звезды. Поэтому Солнце и миллиарды других звезд в основном движутся по круговым путям или эллипсам вокруг центра Галактики. Но это лишь «в основном» - присмотревшись, мы увидели бы, что они движутся по более сложным кривым, извивающимся путям среди окружающих звезд.
Характеристика Галактики Млечный Путь:
Место нахождения Солнца в Галактике.
Где в Галактике находится Солнце и движется ли оно (а с ним и Земля, и мы с вами)? Не находимся ли мы в «центре города» или хотя бы где-нибудь недалеко от него? Исследования показали, что Солнце и солнечная система расположены на громадном расстоянии от центра Галактики, ближе к «городским окраинам» (26 000 ± 1 400 св. лет).
Солнце расположено в плоскости нашей Галактики и удалено от ее центра на 8 кпк и от плоскости Галактики примерно на 25 пк (1 пк (парсек) = 3,2616 светового года). В области Галактики, где расположено Солнце, звездная плотность составляет 0,12 звезд на пк3.
Модель нашей Галактики
Скорость движения Солнца в Галактике.
Скорость движения Солнца в Галактике принято рассматривать относительно разных систем отсчета:
Относительно ближайших звезд.
Относительно всех ярких звезд, видимых невооруженным глазом.
Относительно межзвездного газа.
Относительно центра Галактики.
1. Скорость движения Солнца в Галактике относительно ближайших звезд.
Подобно тому, как скорость летящего самолета рассматривается по отношению к Земле, не учитывая полета самой Земли, так и скорость движения Солнца можно определить относительно ближайших к нему звезд. Таким, как звезды системы Сириус, Альфа Центавра и др.
Эта скорость движения Солнца в Галактике сравнительно невелика: всего 20 км/сек или 4 а.е. (1астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца – 149,6 млн км.)
Солнце относительно ближайших звезд движется по направлению к точке (апексу), лежащей на границе созвездий Геркулеса и Лиры, примерно под углом 25° к плоскости Галактики. Экваториальные координаты апекса = 270°, = 30°.
2. Скорость движения Солнца в Галактике относительно видимых звезд.
Если рассматривать движение Солнца в Галактике Млечный Путь относительно всех звезд, видимых без телескопа, то его скорость и того меньше.
Скорость движения Солнца в Галактике относительно видимых звезд составляет - 15 км/сек или 3 а.е.
Апекс движения Солнца в данном случае также лежит в созвездии Геркулеса и имеет следующие экваториальные координаты: = 265°, = 21°.
Скорость движения Солнца относительно ближайших звезд и межзвездного газа
3. Скорость движения Солнца в Галактике относительно межзвездного газа.
Следующий объект Галактики, относительно которого мы рассмотрим скорость движения Солнца, - это межзвездный газ.
Вселенские просторы далеко не так пустынны, как считалось долгое время. Хотя и в небольших количествах, но везде присутствует межзвездный газ, наполняя собой все уголки мирозданья. На межзвездный газ, при кажущейся пустоте незаполненного пространства Вселенной, приходится почти 99% от совокупной массы всех космических объектов. Плотные и холодные формы межзвездного газа, содержащие водород, гелий и минимальные объемы тяжелых элементов (железо, алюминий, никель, титан, кальций), находятся в молекулярном состоянии, соединяясь в обширные облачные поля. Обычно в составе межзвездного газа элементы распределены следующим образом: водород – 89%, гелий – 9%, углерод, кислород, азот – около 0,2-0,3%.
Газопылевое облако IRAS 20324+4057 из межзвездного газа и пыли длиной в 1 световой год, похожее на головастика, в котором скрывается растущая звезда
Облака межзвездного газа могут не только упорядоченно вращаться вокруг галактических центров, но и обладать нестабильным ускорением. В течение нескольких десятков миллионов лет они догоняют друг друга и сталкиваются, образуя комплексы из пыли и газа.
В нашей Галактике основной объем межзвездного газа сосредоточен в спиральных рукавах, один из коридоров которых расположен рядом с Солнечной системой.
Скорость движения Солнца в Галактике относительно межзвездного газа: 22-25 км/сек.
Межзвездный газ в ближайших окрестностях Солнца имеет значительную собственную скорость (20-25 км/с) относительно ближайших звезд. Под его влиянием апекс движения Солнца смещается в сторону созвездия Змееносца (= 258°, = -17°). Разница в направлении движения около 45°.
4. Скорость движения Солнца в Галактике относительно центра Галактики.
В трех рассмотренных выше пунктах речь идет о так называемой пекулярной, относительной скорости движения Солнца. Иными словами, пекулярная скорость - это скорость относительно космической системы отсчета.
Но Солнце, ближайшие к нему звезды, местное межзвездное облако все вместе участвуют в более масштабном движении – движении вокруг центра Галактики.
И здесь речь идет уже о совсем других скоростях.
Скорость движения Солнца вокруг центра Галактики огромна по земным меркам - 200-220 км/сек (около 850 000 км/час) или больше 40 а.е. / год.
Точную скорость Солнца вокруг центра Галактики определить невозможно, ведь центр Галактики скрыт от нас за плотными облаками межзвездной пыли. Однако все новые и новые открытия в этой области все уменьшают расчетную скорость нашего солнца. Еще совсем недавно говорили о 230-240 км/сек.
Солнечная система в Галактике движется по направлению к созвездию Лебедя.
Движение Солнца в Галактике происходит перпендикулярно направлению на центр Галактики. Отсюда галактические координаты апекса: l = 90°, b = 0° или в более привычных экваториальных координатах - = 318°, = 48°. Поскольку это движение обращения, апекс смещается и совершает полный круг за "галактический год", примерно 250 миллионов лет; угловая его скорость ~5" / 1000 лет, т.е. координаты апекса смещаются на полтора градуса за миллион лет.
Нашей Земле от роду около 30 таких «галактических лет».
Скорость движения Солнца в Галактике относительно центра Галактики
Кстати, интересный факт на тему скорости движения Солнца в Галактике:
Скорость вращения Солнца вокруг центра Галактики почти совпадает со скоростью волны уплотнения, образующей спиральный рукав. Такая ситуация является нетипичной для Галактики в целом: спиральные рукава вращаются с постоянной угловой скоростью, как спицы в колесах, а движение звёзд происходит с другой закономерностью, поэтому почти всё звёздное население диска то попадает внутрь спиральных рукавов, то выпадает из них. Единственное место, где скорости звёзд и спиральных рукавов совпадают - это так называемый коротационный круг, и именно на нём расположено Солнце.
Для Земли это обстоятельство чрезвычайно важно, поскольку в спиральных рукавах происходят бурные процессы, образующие мощное излучение, губительное для всего живого. И никакая атмосфера не смогла бы от него защитить. Но наша планета существует в сравнительно спокойном месте Галактики и в течение сотен миллионов (или даже миллиардов) лет не подвергалась воздействию этих космических катаклизмов. Возможно, именно поэтому на Земле смогла зародиться и сохраниться жизнь.
Скорость движения Галактики во Вселенной.
Скорость движения Галактики во Вселенной принято рассматривать относительно разных систем отсчета:
Относительно Местной группы галактик (скорость сближения с галактикой Андромеда).
Относительно удаленных галактик и скоплений галактик (скорость движения Галактики в составе местной группы галактик к созвездию Девы).
Относительно реликтового излучения (скорость движения всех галактик в ближайшей к нам части Вселенной к Великому Аттрактору – скоплению огромных сверхгалактик).
Остановимся подробнее на каждом из пунктов.
1. Скорость движения Галактики Млечный Путь к Андромеде.
Наша Галактика Млечный Путь также не стоит на месте, а гравитационно притягивается и сближается с галактикой Андромеда со скоростью 100-150 км/с. Основной компонент скорости сближения галактик принадлежит Млечному Пути.
Поперечная составляющая движения точно не известна, и беспокойства о столкновении преждевременны. Дополнительный вклад в это движение вносит и массивная галактика M33, находящаяся примерно в том же направлении, что и галактика Андромеды. В целом скорость движения нашей Галактики относительно барицентра Местной группы галактик около 100 км / сек примерно в направлении Андромеда/Ящерица (l = 100, b = -4, = 333, = 52), однако эти данные еще весьма приблизительны. Это весьма скромная относительная скорость: Галактика смещается на собственный диаметр за две-три сотни миллионов лет или, очень примерно, за галактический год.
2. Скорость движения Галактики Млечный Путь к скоплению Девы.
В свою очередь, группа галактик, в которую входит и наш Млечный путь, как некое единое целое, движется к большому скоплению Девы со скоростью 400 км/с. Это движение также обусловлено гравитационными силами и осуществляется относительно удаленных скоплений галактик.
Скорость движения Галактики Млечный Путь к скоплению Девы
3. Скорость движения Галактики во Вселенной. На Великий Аттрактор!
Реликтовое излучение.
Согласно теории Большого Взрыва, ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, состоящую из электронов, барионов и постоянно излучающихся, поглощающихся и вновь переизлучающихся фотонов.
По мере расширения Вселенной плазма остывала и на определённом этапе замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), образуя атомы (этот процесс называется рекомбинацией).
Это случилось при температуре плазмы около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. Свободного пространства между частицами стало больше, заряженных частиц стало меньше, фотоны перестали так часто рассеиваться и теперь могли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом.
Те фотоны, которые были в то время излучены плазмой в сторону будущего расположения Земли, до сих пор достигают нашей планеты через пространство продолжающей расширяться вселенной. Эти фотоны составляют реликтовое излучение, представляющее собой равномерно заполняющее Вселенную тепловое излучение.
Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Г. Гамовым в рамках теории Большого взрыва. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году.
Скорость движения Галактики относительно реликтового излучения.
Позже началось изучение скорости движения Галактик относительно реликтового излучения. Определяется это движение измерением неравномерности температуры реликтового излучения в разных направлениях.
Температура излучения имеет максимум в направлении движения и минимум в противоположном направлении. Степень отклонения распределения температуры от изотропного (2,7 К) зависит от величины скорости. Из анализа наблюдательных данных следует, что Солнце движется относительно реликтового излучения со скоростью 400 км/с в направлении =11,6, =-12 .
Такие измерения показали также и другую важную вещь: все галактики в ближайшей к нам части Вселенной, включая не только нашу Местную группу , но и скопление Девы и другие скопления, движутся относительно фонового реликтового излучения с неожиданно большой скоростью.
Для Местной группы галактик она составляет 600-650 км / сек с апексом в созвездии Гидра (=166, =-27). Выглядит это так, что где-то в глубинах Вселенной существует огромный кластер многих сверхскоплений, притягивающий материю нашей части Вселенной. Этот кластер был назван Великим Аттрактором - от английского слова «attract» - притягивать.
Поскольку галактики, входящие в состав Великого Аттрактора, скрыты межзвездной пылью, входящей в состав Млечного Пути, картографирование Аттрактора удалось выполнить только в последние годы с помощью радиотелескопов.
Великий Аттрактор находится на пересечении нескольких сверхскоплений галактик. Средняя плотность вещества в этом районе ненамного больше средней плотности Вселенной. Но за счет гигантских размеров его масса оказывается настолько велика и сила притяжения столь огромна, что не только наша звездная система, но и другие галактики и их скопления поблизости движутся в направлении Великого Аттрактора, формируя огромный поток галактик.
Скорость движения Галактики во Вселенной. На Великий Аттрактор!
Итак, подведем итоги.
Скорость движения Солнца в Галактике и Галактики во Вселенной. Сводная таблица.
Иерархия движений, в которых принимает участие наша планета:
Вращение Земли вокруг Солнца;
Вращение вместе с Солнцем вокруг центра нашей Галактики;
Движение относительно центра Местной группы галактик вместе со всей Галактикой под действием гравитационного притяжения созвездия Андромеда (галактики М31);
Движение к скоплению галактик в созвездии Девы;
Движение к Великому Аттрактору.
Скорость движения Солнца в Галактике и скорость движения Галактики Млечный Путь во Вселенной. Сводная таблица.
Сложно себе представить, а еще сложнее рассчитать, как далеко мы перемещаемся каждую секунду. Расстояния эти - огромны, а погрешности в таких расчетах пока еще достаточно велики. Вот какими данными располагает наука на сегодняшний день.
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:
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.)
См. также:
Edwin Powell Hubble, 1889-1953
Американский астроном. Родился в г. Маршфилд (штат Миссури, США), вырос в Уитоне (штат Иллинойс) — тогда это был не университетский, а промышленный пригород Чикаго. Окончил с отличием Чикагский университет (где отличился еще и спортивными достижениями). Еще учась в колледже, подрабатывал ассистентом в лаборатории нобелевского лауреата Роберта Милликена (см. Опыт Милликена), а в летние каникулы — геодезистом на железнодорожном строительстве. Впоследствии Хаббл любил вспоминать, как вместе еще с одним рабочим они отстали от последнего поезда, увозившего их геодезическую бригаду назад, к благам цивилизации. Три дня они проблуждали в лесах, прежде чем добрались до населенной местности. Никакой провизии у них с собой не было, но, по словам самого Хаббла, «Можно было, конечно, убить ежика или птичку, но зачем? Главное, что воды вокруг хватало».
Получив в 1910 году диплом бакалавра, Хаббл отправился в Оксфорд благодаря полученной стипендии Роудса. Там он начал было изучать римское и британское право, но, по его собственм словам, «променял юриспруденцию на астрономию» и вернулся в Чикаго, где и занялся подготовкой к защите своей дипломной работы. Большинство наблюдений ученый проводил на базе обсерватории Йеркс, расположенной к северу от Чикаго. Там его заметил Джордж Эллери Хейл (George Ellery Hale, 1868-1938) и в 1917 году пригласил молодого человека в новую обсерваторию Маунт-Вилсон.
Тут, однако, вмешались исторические события. США вступили в первую мировую войну, и Хаббл за одну ночь довел до ума свою диссертацию на степень Ph. D., на следующее утро защитил ее — и тут же ушел добровольцем в армию. Его научный руководитель Хейл получил от Хаббла телеграмму следующего содержания: «Сожалею о вынужденном отказе от приглашения отметить защиту. Ушел на войну». Во Францию добровольческая часть прибыла в самом конце войны и даже не приняла участия в боевых действиях, однако осколочное ранение от шального снаряда Хаббл получить успел. Демобилизовавшись летом 1919 года, ученый немедленно вернулся в калифорнийскую обсерваторию Маунт-Вилсон, где вскоре и обнаружил, что Вселенная состоит из разлетающихся галактик, что и получило название закона Хаббла.
В 1930-е годы Хаббл продолжил активное изучение мира за пределами Млечного пути, за что вскоре и снискал признание не только в научных кругах, но и среди широких масс. Слава ему пришлась по вкусу, и на фотографиях тех лет ученого можно часто увидеть позирующим в компании знаменитых кинозвезд той эпохи.
Научно-популярная книга Хаббла «Царство туманностей» (The Realm of Nebulae), увидевшая свет в 1936 году, еще прибавила ученому популярности. Справедливости ради нельзя не отметить, что в годы второй мировой войны ученый оставил свои астрофизические изыскания и честно занимался прикладной баллистикой в должности главного исполнительного директора испытательного полигона со сверхзвуковой аэродинамической трубой в Абердине (штат Мэриленд), после чего вернулся к астрофизике и до конца своих дней занимал пост председателя объединенного ученого совета обсерватории Маунт-Вилсон и Паломарской обсерватории. В частности, ему принадлежит движущая идея и техническая разработка базовой конструкции знаменитого двухсотдюймового (пятиметрового) хейловского телескопа, введенного в строй в 1949 году на базе Паломарской обсерватории. Этот телескоп по сей день остается вершиной воплощенной в материале астрометрии. И, наверное, справедливо, что именно Хаббл успел — первым из современных астрофизиков — заглянуть в глубины Вселенной через окуляр этого чудесного инструмента.
Если же отвлечься от астрономии, то Эдвин Хаббл вообще был человеком уникально широких интересов. Так, в 1938 году его избрали в состав совета попечителей Южно-Калифорнийской библиотеки Хантингтона и Художественной галереи при ней (Лос-Анджелес, США). Ученый подарил этой библиотеке свою уникальную коллекцию старинных книг по истории науки. Любимым же видом отдыха Хаббла была рыбная ловля на спиннинг — он и в этом добился вершин, и его рекордные уловы в горных потоках Скалистых гор (США) и на реке Тест (Англия) до сих пор считаются непревзойденными... Эдвин Хаббл скоропостижно скончался 28 сентября 1953 года в результате кровоизлияния в мозг.
В настоящее время по данным астрономических наблюдений установлено, что Вселенная в больших масштабах однородна , т.е. все ее области размером от 300 млн. световых лет и больше выглядят одинаково. В меньших масштабах во Вселенной есть районы, где обнаруживаются скопления галактик и, наоборот, пустоты, где их мало.
Галактикой называется система звезд имеющих общее происхождение и связанных силами притяжения. Галактика, в которой находится наше Солнце – Млечный путь
Расстояния до небесных тел в астрономии определяются по-разному в зависимости от того близко или далеко от нашей планеты эти объекты находятся. В космическом пространстве принято использовать следующие единицы для измерения расстояний:
1 а.е.(астрономическая единица ) = (149597870 2) км;
1 пк (парсек ) = 206265 а.е. = 3,086·10 м;
1 с.г. (световой год ) = 0,307 пк = 9,5·10 м. Световой год – путь, который свет проходит за год.
В настоящей работе предлагается метод определения расстояний до далеких галактик по «красному смещению», т.е. по увеличению длин волн в спектре наблюдаемого удаленного источника излучения по сравнению с соответствующими длинами волн линий в эталонных спектрах.
Под источником света понимают излучение далеких галактик (наиболее ярких звезд или газопылевых туманностей в них). Под «красным смещением » - сдвиг спектральных линий в спектрах химических элементов, из которых состоят эти объекты, в длинноволновую (красную) сторону, по сравнению с длинами волн в спектрах эталонных элементов на Земле. «Красное смещение» обусловлено эффектом Доплера.
Эффект Доплера состоит в том, что излучение, посланное источником, удаляющимся от неподвижного приемника, будет приниматься им как более длинноволновое, по сравнению с излучением от такого же неподвижного источника. Если же источник приближается к приемнику, то длина волны регистрируемого сигнала, наоборот, будет уменьшаться.
В 1924 г советский физик Александр Фридман предсказал, что Вселенная расширяется. Имеющиеся в настоящее время данные показывают, что эволюция Вселенной началась с момента Большого Взрыва. Около 15 млрд. лет назад Вселенная представляла собой точку (ее называют точкой сингулярности ), к которой из-за сильнейшей гравитации в ней, очень высокой температуры и плотности неприменимы известные законы физики. В соответствии с принятой сейчас моделью Вселенная начала раздуваться из точки сингулярности с нарастающим ускорением.
В 1926 г. были получены экспериментальные доказательства расширения Вселенной. Американский астроном Э.Хаббл, при исследовании с помощью телескопа спектров далеких галактик, открыл красное смещение спектральных линий. Это означало, что галактики удаляются друг от друга, причем со скоростью, возрастающей с расстоянием. Хаббл построил линейную зависимость между расстоянием и скоростью, связанную с эффектом Доплера (закон Хаббла):
(1) , где
r – расстояние между галактиками;
v – скорость удаления галактик;
Н – постоянная Хаббла. Значение Н зависит от времени, прошедшего с начала расширения Вселенной до настоящего момента, и меняется в интервале от 50 до 100 км/с·Мпк. В астрофизике, как правило, используют Н= 75 км/с·Мпк. Точность определения постоянной Хаббла составляет
0,5 км/с·Мпк;
с – скорость света в вакууме;
Z – красное смещение длины волны, т.н. космологический фактор.
(2) , где
– длина волны принятого приемником излучения;
– длина волны излучения, испущенного объектом.
Таким образом, измеряя величину смещения линий, например, ионизированного водорода (Н+) в видимой части спектра, можно для наблюдаемой с Земли галактики, определить по формуле (2) ее красное смещение Z и, пользуясь законом Хаббла (1), вычислить расстояние до нее или скорость ее удаления:
Порядок выполнения работы
1. Вызвать программу «Определение расстояний до галактик» на рабочем столе компьютера. На экране монитора появится область Вселенной с девятью разными галактиками, наблюдаемыми с поверхности Земли. В верхней части экрана появляется спектр видимого света и маркер длины волны ионизированного водорода H+.
2. Установите курсор на галактике, указанной преподавателем и щелкните клавишей.
3. Запишите в таблицу измерений длину волны и λ излучаемую этой галактикой при ее удалении.
