Следствие от закона на Хъбъл. Константа на Хъбъл

По едно време законът на Хъбъл направи революция в професионалната астрономия. В началото на 20 век американският астроном Едуин Хъбъл доказа, че нашата Вселена не е статична, както изглеждаше преди, а непрекъснато се разширява.

Константа на Хъбъл: данни от различни космически кораби

Законът на Хъбъл е физична и математическа формула, която доказва, че нашата Вселена е постоянна. Освен това разширяването на космическото пространство, в което се намира и нашата галактика Млечен път, се характеризира с еднородност и изотропност. Тоест нашата вселена се разширява еднакво във всички посоки. Формулировката на закона на Хъбъл доказва и описва не само теорията за разширяването на Вселената, но и основната идея за нейния произход - теорията.

Най-често в научната литература законът на Хъбъл се среща в следната формулировка: v=H0*r. В тази формула v означава скоростта на галактиката, H0 е коефициентът на пропорционалност, който свързва разстоянието от Земята до космическия обект със скоростта на неговото отдалечаване (този коефициент се нарича още "константа на Хъбъл"), r е разстояние до галактиката.

В някои източници има друга формулировка на закона на Хъбъл: cz=H0*r. Тук c действа като скоростта на светлината, а z символизира червеното отместване - изместването на спектралните линии на химичните елементи към червената страна на спектъра с дълга дължина на вълната, докато се отдалечават. Други формулировки на този закон могат да бъдат намерени във физико-теоретичната литература. Разликата във формулировките обаче не променя същността на закона на Хъбъл, а същността му се крие в описанието на факта, че нашият непрекъснато се разширява във всички посоки.

Откриване на закона

Възрастта и бъдещето на Вселената могат да бъдат определени чрез измерване на константата на Хъбъл

Предпоставка за откриването на закона на Хъбъл е серия от астрономически наблюдения. И така, през 1913 г. американският астрофизик Weil Slider откри, че няколко други огромни космически обекта се движат с висока скорост спрямо Слънчевата система. Това даде основание на учения да предположи, че мъглявината не е планетарни системи, формиращи се в нашата галактика, а зараждащи се звезди, които са извън нашата галактика. По-нататъшното наблюдение на мъглявините показа, че те не само са други галактически светове, но и постоянно се отдалечават от нас. Този факт даде възможност на астрономическата общност да приеме, че Вселената непрекъснато се разширява.

През 1927 г. белгийският астроном Жорж Леметр експериментално установява, че галактиките във Вселената се отдалечават една от друга в космическото пространство. През 1929 г. американският учен Едуин Хъбъл с помощта на 254-сантиметров телескоп установява, че Вселената се разширява и галактиките в космоса се отдалечават една от друга. Използвайки своите наблюдения, Едуин Хъбъл формулира математическа формула, която и до днес точно описва принципа на разширяването на Вселената и е от голямо значение както за теоретичната, така и за практическата астрономия.

Законът на Хъбъл: приложение и последици за астрономията

Законът на Хъбъл е от голямо значение за астрономията. Той се използва широко от съвременните учени като част от създаването на различни научни теории, както и при наблюдението на космически обекти.

Основното значение на закона на Хъбъл за астрономията е, че той потвърждава постулата: Вселената непрекъснато се разширява. В същото време законът на Хъбъл служи като допълнително потвърждение на теорията за Големия взрив, тъй като според съвременните учени именно Големият взрив е послужил като тласък за разширяването на "материята" на Вселената.

Законът на Хъбъл също показа ясно, че Вселената се разширява във всички посоки еднакво. В която и точка от космическото пространство да не се намира наблюдателят, ако се огледа около себе си, ще забележи, че всички обекти около него се отдалечават еднакво от него. Този факт може да бъде изразен най-сполучливо с цитат от философа Николай от Куза, който още през 15 век казва: „Всяка точка е център на Безкрайната Вселена“.

С помощта на закона на Хъбъл съвременните астрономи могат с голяма степен на вероятност да изчислят позицията на галактиките и клъстерите от галактики в бъдеще. По същия начин може да се използва за изчисляване на предполагаемото местоположение на всеки обект в космоса след определен период от време.

Реципрочната стойност на константата на Хъбъл е около 13,78 милиарда години. Тази стойност показва колко време е изминало от началото на разширяването на Вселената и следователно много вероятно показва нейната възраст.
Най-често законът на Хъбъл се използва за определяне на точните разстояния до обекти в космическото пространство.

3. Законът на Хъбъл определя разстоянието от нас до далечните галактики. Що се отнася до най-близките до нас галактики, тук ефектът му не е толкова изразен. Това се дължи на факта, че тези галактики, освен скоростта, свързана с разширяването на Вселената, имат и своя собствена скорост. В тази връзка те могат както да се отдалечават от нас, така и да се доближават до нас. Но като цяло законът на Хъбъл е приложим за всички космически обекти във Вселената.

Великите физици от миналото И. Нютон и А. Айнщайн са виждали Вселената като статична. Съветският физик А. Фридман през 1924 г. излезе с теорията за "отдалечаващите се" галактики. Фридман предсказа разширяването на Вселената. Това беше революционен преврат във физическото представяне на нашия свят.

Американският астроном Едуин Хъбъл изследва мъглявината Андромеда. До 1923 г. той успя да приеме, че покрайнините му са клъстери от отделни звезди. Хъбъл изчислява разстоянието до мъглявината. Оказа се, че е 900 000 светлинни години (по-точно изчисленото разстояние днес е 2,3 милиона светлинни години). Тоест, мъглявината се намира далеч отвъд Млечния път – нашата галактика. След като наблюдава тази и други мъглявини, Хъбъл стига до заключение за структурата на Вселената.

Вселената е съставена от колекция от огромни звездни купове - галактики.

Именно те ни изглеждат в небето като далечни мъгливи „облаци“, тъй като просто не можем да разгледаме отделни звезди на такова голямо разстояние.

Е. Хъбъл забеляза важен аспект в получените данни, който астрономите са наблюдавали и преди, но го затрудниха да интерпретират. А именно: наблюдаваната дължина на спектралните светлинни вълни, излъчвани от атомите на далечни галактики, е малко по-голяма от дължината на спектралните вълни, излъчвани от същите атоми в условията на земни лаборатории. Тоест, в емисионния спектър на съседни галактики светлинният квант, излъчен от атом по време на електронен скок от орбита на орбита, се измества по честота в посока на червената част на спектъра в сравнение с подобен квант, излъчен от същия атом на земята. Хъбъл се задължи да тълкува това наблюдение като проява на ефекта на Доплер.

Всички наблюдавани съседни галактики се отдалечават от Земята, тъй като почти всички галактически обекти извън Млечния път имат червено спектрално изместване, пропорционално на скоростта на тяхното отдалечаване.

Най-важното е, че Хъбъл успя да сравни резултатите от своите измервания на разстоянията до съседните галактики с измерванията на скоростта на тяхното отстраняване (чрез червено отместване).

Математически законът е формулиран много просто:

където v е скоростта на галактиката, която се отдалечава от нас,

r е разстоянието до него,

H е константата на Хъбъл.

И въпреки че първоначално Хъбъл стигна до този закон в резултат на наблюдение само на няколко най-близки до нас галактики, нито една от многото нови галактики на видимата Вселена, открити оттогава, все по-отдалечени от Млечния път, не изпада от този закон.

И така, основното следствие от закона на Хъбъл:

Вселената се разширява.

Самата тъкан на световното пространство се разширява. Всички наблюдатели (и ние не сме изключение) смятат, че са в центъра на Вселената.

4. Теория за Големия взрив

От експерименталния факт за рецесията на галактиките е изчислена възрастта на Вселената. Оказа се равно – около 15 милиарда години! Така започна ерата на съвременната космология.

Естествено възниква въпросът: какво се случи в началото? Общо на учените са били необходими около 20 години, за да преобърнат отново представите за Вселената.

Отговорът е предложен от изключителния физик Г. Гамов (1904 - 1968) през 40-те години. Историята на нашия свят започва с Големия взрив. Точно това мислят повечето астрофизици днес.

Големият взрив е бърз спад на първоначално огромната плътност, температура и налягане на материята, концентрирана в много малък обем на Вселената. Цялата материя на Вселената беше компресирана в плътна бучка протоматерия, затворена в много малък обем в сравнение с настоящия мащаб на Вселената.

Идеята за Вселената, която се е родила от свръхплътен съсирек от свръхгореща материя и оттогава се разширява и охлажда, се нарича теория за Големия взрив.

Днес няма по-успешен космологичен модел за произхода и еволюцията на Вселената.

Според теорията за Големия взрив ранната Вселена се е състояла от фотони, електрони и други частици. Фотоните постоянно взаимодействат с други частици. Докато Вселената се разширява, тя се охлажда и на определен етап електроните започват да се комбинират с ядрата на водорода и хелия и да образуват атоми. Това се е случило при температура около 3000 K, а приблизителната възраст на Вселената е 400 000 години. От този момент нататък фотоните могат да се движат свободно в пространството, практически без да взаимодействат с материята. Но остават "свидетели" на онази епоха - това са реликтови фотони. Смята се, че реликтовото излъчване се е запазило от началните етапи на съществуването на Вселената и равномерно я изпълва. В резултат на по-нататъшното охлаждане на радиацията, температурата му намаля и сега е около 3 K.

Съществуването на CMB е предсказано теоретично в рамките на теорията за Големия взрив. Смята се за едно от основните потвърждения на теорията за Големия взрив.

Видимата скорост на галактика, която се отдалечава от нас, е право пропорционална на нейното разстояние.

Завръщайки се от Първата световна война, Едуин Хъбъл получава работа в Маунт Уилсън, високопланинска астрономическа обсерватория в Южна Калифорния, която през онези години е най-добре оборудваната в света. Използвайки най-новия й рефлекторен телескоп с диаметър на основното огледало 2,5 м, той направи серия от любопитни измервания, които завинаги промениха нашето разбиране за Вселената.

Всъщност Хъбъл се зае да изследва един дългогодишен астрономически проблем - природата на мъглявините. Тези мистериозни обекти, започващи от 18-ти век, тревожат учените с мистерията на техния произход. До 20-ти век някои от тези мъглявини са родили звезди и са се разпръснали, но повечето от облаците си остават мъгливи - и по-специално по природа. Тук учените зададоха въпроса: къде всъщност се намират тези мъгляви образувания - в нашата Галактика? Или някои от тях представляват други „острови на Вселената“, ако използваме сложния език на онази епоха? До пускането в експлоатация на телескопа Маунт Уилсън през 1917 г. този въпрос е бил чисто теоретичен, тъй като не е имало технически средства за измерване на разстоянията до тези мъглявини.

Хъбъл започва изследването си с мъглявината Андромеда, може би най-популярната от незапомнени времена. До 1923 г. той успява да види, че покрайнините на тази мъглявина са клъстери от отделни звезди, някои от които принадлежат към класа Цефеидни променливи(според астрономическата класификация). Наблюдавайки променлива цефеида за достатъчно дълго време, астрономите измерват периода на промяна в нейната яркост и след това, от зависимостта период-светимост, определят количеството светлина, излъчвана от нея.

За да разберем по-добре каква е следващата стъпка, нека използваме аналогия. Представете си, че стоите в тъмна нощ и тогава в далечината някой включва електрическа лампа. Тъй като не можете да видите нищо около себе си, освен тази далечна крушка, за вас е почти невъзможно да определите разстоянието до нея. Може би е много ярко и свети далеч, или може би е слабо и свети наблизо. Как да го дефинираме? Сега си представете, че по някакъв начин сте успели да разберете мощността на лампата - да речем, 60, 100 или 150 вата. Задачата веднага се опростява, тъй като чрез видимата светимост вече можете приблизително да оцените геометричното разстояние до нея. И така: когато измервате периода на промяна в светимостта на цефеида, астрономът е в приблизително същата ситуация като вас, изчислявайки разстоянието до далечна лампа, знаейки нейната яркост (мощност на излъчване).

Първото нещо, което Хъбъл направи, беше да изчисли разстоянието до цефеидите в покрайнините на мъглявината Андромеда и по този начин до самата мъглявина: 900 000 светлинни години (по-точно изчислено днес, разстоянието до галактиката Андромеда, както сега се нарича , е 2,3 милиона светлинни години. Забележка. автор) - тоест мъглявината се намира далеч отвъд Млечния път - нашата галактика. След като наблюдава тази и други мъглявини, Хъбъл стигна до основно заключение относно структурата на Вселената: тя се състои от набор от огромни звездни купове - галактики. Именно те ни изглеждат в небето като далечни мъгливи „облаци“, тъй като просто не можем да разгледаме отделни звезди на такова голямо разстояние. Само това откритие всъщност би било достатъчно за Хъбъл за световно признание на заслугите му към науката.

Ученият обаче не се ограничава до това и забелязва друг важен аспект в получените данни, който астрономите са наблюдавали и преди, но се затрудняват да го интерпретират. А именно: наблюдаваната дължина на спектралните светлинни вълни, излъчвани от атомите на далечни галактики, е малко по-малка от дължината на спектралните вълни, излъчвани от същите атоми в условията на земни лаборатории. Тоест, в емисионния спектър на съседни галактики светлинният квант, излъчен от атом по време на електронен скок от орбита на орбита, се измества по честота в посока на червената част на спектъра в сравнение с подобен квант, излъчен от същия атом на земята. Хъбъл се нагърби да тълкува това наблюдение като проява на ефекта на Доплер, което означава, че всички наблюдавани съседни галактики се премахватот Земята, тъй като почти всички галактически обекти извън Млечния път имат точно червенспектрално изместване, пропорционално на тяхната скорост на отстраняване.

Най-важното е, че Хъбъл успя да сравни резултатите от своите измервания на разстоянията до съседните галактики (от наблюдения на променливите цефеиди) с измервания на скоростта на тяхното отстраняване (от червени премествания). И Хъбъл установи, че колкото по-далеч е една галактика от нас, толкова по-бързо се отдалечава. Точно това явление на центростремително „отдръпване“ на видимата Вселена с нарастваща скорост, докато се отдалечава от локалната точка на наблюдение, се нарича закон на Хъбъл. Математически се формулира много просто:

където vе скоростта, с която галактиката се отдалечава от нас, rе разстоянието до него и з- т.нар Константа на Хъбъл. Последната се определя експериментално и понастоящем се оценява на около 70 km/(s·Mpc) (километри в секунда на мегапарсек; 1 Mpc е приблизително равен на 3,3 милиона светлинни години). Това означава, че галактика на разстояние 10 мегапарсека от нас бяга от нас със скорост 700 km/s, галактика на разстояние 100 Mpc със скорост 7000 km/s и т.н. И въпреки че първоначално Хъбъл стигна до този закон в резултат на наблюдение само на няколко най-близки до нас галактики, нито една от многото нови галактики във видимата Вселена, открити оттогава, все по-отдалечени от Млечния път, не изпада от този закон.

И така, основната и - изглежда - невероятна последица от закона на Хъбъл: Вселената се разширява! Тази картина ми изглежда най-ясно така: галактиките са стафиди в бързо втасващо тесто с мая. Представете си себе си като микроскопично същество върху една от стафидите, чието тесто изглежда прозрачно: и какво ще видите? Докато тестото втасва, всички останали стафиди се отдалечават от вас и колкото по-далеч е стафидата, толкова по-бързо се отдалечава от вас (защото има повече разширяващо се тесто между вас и отдалечените стафиди, отколкото между вас и най-близките стафиди). В същото време ще ви се стори, че вие сте в самия център на разширяващия се универсален тест и в това няма нищо странно - ако бяхте на друга стафида, всичко щеше да ви изглежда точно по същия начин начин. Така че галактиките се разпръскват по една проста причина: самата тъкан на световното пространство се разширява. Всички наблюдатели (и ние не сме изключение) смятат, че са в центъра на Вселената. Това е формулирано най-добре от мислителя от 15-ти век Николай от Куза: „Всяка точка е център на една безкрайна вселена“.

Законът на Хъбъл обаче ни казва още нещо за природата на Вселената - и това "нещо" е нещо, което е просто изключително. Вселената имаше начало във времето. И това е много прост извод: достатъчно е да вземем и мислено да „превъртим назад“ условната движеща се картина на разширяването на Вселената, която наблюдаваме - и ще стигнем до точката, когато цялата материя на Вселената е компресирана в плътна бучка протоматерия, затворена в много малък обем в сравнение с настоящия мащаб на Вселената. Идеята за Вселената, която се е родила от свръхплътен съсирек от свръхгореща материя и оттогава се разширява и охлажда, се нарича теория за Големия взрив и няма по-успешен космологичен модел за произхода и еволюцията на Вселената. днес. Законът на Хъбъл, между другото, също помага да се оцени възрастта на Вселената (разбира се, много опростена и приблизителна). Да приемем, че всички галактики от самото начало са се отдалечили от нас с еднаква скорост vкоито виждаме днес. Позволявам T- времето, изминало от началото на разширяването им. Това ще бъде възрастта на Вселената и тя се определя от отношенията:

vх T = r,или t=r/V

Но от закона на Хъбъл следва, че

r/v = 1/з

където зе константата на Хъбъл. Това означава, че чрез измерване на скоростите на отдалечаване на външните галактики и експериментално определяне з, по този начин получаваме и оценка на времето, през което галактиките се разминават. Това е очакваното време на съществуване на Вселената. Опитайте се да запомните: най-новата оценка е, че нашата вселена е на около 15 милиарда години, плюс-минус няколко милиарда години. (За сравнение: възрастта на Земята се оценява на 4,5 милиарда години, а животът на нея е възникнал преди около 4 милиарда години.)

Вижте също:

Едуин Пауъл Хъбъл, 1889-1953

американски астроном. Роден в Маршфийлд (Мисури, САЩ), израснал в Уитън (Илинойс) - тогава не беше университет, а индустриално предградие на Чикаго. Завършва с отличие университета в Чикаго (където се отличава и със спортни постижения). Докато все още е в колежа, той работи като асистент в лабораторията на нобеловия лауреат Робърт Миликен (виж Опитът на Миликен), а през летните ваканции като геодезист при железопътното строителство. Впоследствие Хъбъл обичаше да си спомня как, заедно с друг работник, те изостанаха от последния влак, който отведе техния екип от геодезисти обратно към благата на цивилизацията. Три дни се скитали из горите, преди да стигнат до населеното място. Те не са имали никакви провизии със себе си, но според самия Хъбъл: „Можете, разбира се, да убиете таралеж или птица, но защо? Основното е, че наоколо имаше достатъчно вода.

След като получава бакалавърска степен през 1910 г., Хъбъл отива в Оксфорд благодарение на стипендия на Роудс. Там той започва да изучава римско и британско право, но по собствените му думи „заменя правото с астрономията“ и се връща в Чикаго, където започва да се подготвя за защита на дисертацията си. Ученият провежда повечето от наблюденията в основата на обсерваторията Йеркс, разположена северно от Чикаго. Там той е забелязан от Джордж Елъри Хейл (George Ellery Hale, 1868-1938) и през 1917 г. покани младия мъж в новата обсерватория Маунт Уилсън.

Тук обаче се намесиха исторически събития. Съединените щати влизат в Първата световна война и Хъбъл завършва своята докторска дисертация за една нощ. Д., я защитил на следващата сутрин – и веднага се записал доброволец в армията. Неговият ръководител Хейл получи телеграма от Хъбъл, която гласеше: „Съжалявам, че трябва да откажа поканата да отбележа защитата. Отидох на война." Доброволческият отряд пристигна във Франция в самия край на войната и дори не участва във военните действия, но Хъбъл успя да получи шрапнелна рана от заблуден снаряд. Демобилизиран през лятото на 1919 г., ученият веднага се завръща в обсерваторията Маунт Уилсън в Калифорния, където скоро открива, че Вселената се състои от разширяващи се галактики, което се нарича закон на Хъбъл.

През 30-те години Хъбъл продължава активно да изучава света отвъд Млечния път, за което скоро печели признание не само в научните среди, но и сред широката общественост. Той хареса славата и на снимките от онези години ученият често може да се види да позира в компанията на известни филмови звезди от онази епоха.

Научно-популярната книга на Хъбъл "Царството на мъглявините" (Царството на мъглявините),който беше издаден през 1936 г., добави към популярността на учения. Честно казано, трябва да се отбележи, че по време на Втората световна война ученият напуска астрофизичните си изследвания и честно се занимава с приложна балистика като главен изпълнителен директор на тестовата площадка със свръхзвуков аеродинамичен тунел в Абърдийн (Мериленд), след което се завръща към астрофизиката до края на дните си служи като председател на съвместния научен съвет на обсерваторията Маунт Уилсън и обсерваторията Паломар. По-специално, той притежава движещата идея и техническото развитие на основния дизайн на известния двеста инчов (пет метров) телескоп Hale, пуснат в експлоатация през 1949 г. на базата на обсерваторията Palomar. Този телескоп и до днес остава върхът на астрометрията, въплътен в материала. И вероятно е справедливо, че Хъбъл успя - първият от съвременните астрофизици - да погледне в дълбините на Вселената през окуляра на този прекрасен инструмент.

Освен астрономията, Едуин Хъбъл като цяло беше човек с уникално широки интереси. И така, през 1938 г. той е избран в Съвета на попечителите на библиотеката Хънтингтън в Южна Калифорния и Художествената галерия към нея (Лос Анджелис, САЩ). Ученият дари на тази библиотека своята уникална колекция от древни книги по история на науката. Любимият вид развлечение на Хъбъл беше спининг риболовът - той постигна висоти и в това, а рекордните му улови в планинските потоци на Скалистите планини (САЩ) и на река Тест (Англия) все още се считат за ненадминати ... Едуин Хъбъл почина внезапно на 28 септември 1953 г. в резултат на мозъчен кръвоизлив.

„През 1744 г. швейцарският астроном де Шезо и, независимо от него, през 1826 г. Олберс формулират следния парадокс“, пише Т. Реге в книгата си, „което доведе до кризата на тогавашните наивни космологични модели. Представете си, че пространството около Земята е безкрайно, вечно и неизменно и че е равномерно изпълнено със звезди, а тяхната плътност е средно постоянна. Използвайки прости изчисления, Szezo и Olbers показаха, че общото количество светлина, изпратено към Земята от звездите, трябва да е безкрайно, поради което нощното небе няма да е черно, а, меко казано, обляно от светлина. За да се отърват от своя парадокс, те предположиха съществуването на огромни блуждаещи непрозрачни мъглявини в космоса, закриващи най-далечните звезди. Всъщност е невъзможно да се излезе от ситуацията по този начин: поглъщайки светлината от звездите, мъглявините неволно ще се нагреят и ще излъчват светлина по същия начин като звездите.

Така че, ако космологичният принцип е верен, тогава не можем да приемем идеята на Аристотел за вечна и непроменлива вселена. Тук, както и в случая с относителността, природата изглежда предпочита симетрията в своето развитие, а не въображаемото аристотелово съвършенство.

Но най-сериозният удар върху неприкосновеността на Вселената беше нанесен не от теорията за еволюцията на звездите, а от резултатите от измерванията на скоростите на отдалечаване на галактиките, получени от великия американски астроном Едуин Хъбъл.

Хъбъл (1889–1953) е роден в малкото градче Маршфийлд, Мисури, в семейството на Джон Пауъл Хъбъл, застрахователен агент, и съпругата му Вирджиния Лий Джеймс. Едуин започва да се интересува от астрономия рано, вероятно под влиянието на дядо си по майчина линия, който си построява малък телескоп.

Едуин завършва гимназия през 1906 г. На шестнадесет години Хъбъл постъпва в Чикагския университет, който тогава е една от десетте най-добри образователни институции в Съединените щати. Астрономът Ф.Р. Мултън, автор на добре известната теория за произхода на Слънчевата система. Той имаше голямо влияние върху по-нататъшния избор на Хъбъл.

След като завършва университета, Хъбъл успява да получи стипендия на Роудс и да отиде в Англия за три години, за да продължи образованието си. Въпреки това, вместо естествени науки, той трябваше да учи право в Кеймбридж.

През лятото на 1913 г. Едуин се завръща в родината си, но така и не става адвокат. Хъбъл се стреми към науката и се завръща в Чикагския университет, където в обсерваторията Йерк, под ръководството на професор Фрост, подготвя дисертация за докторска степен. Работата му беше статистическо изследване на слаби спираловидни мъглявини в няколко части на небето и не беше особено оригинална. Но дори и тогава Хъбъл споделя мнението, че "спиралите са звездни системи на разстояния, често измервани в милиони светлинни години".

По това време наближава голямо събитие в астрономията - обсерваторията Маунт Уилсън, която се ръководи от забележителния организатор на науката Д.Е. Хейл, се подготвяше да пусне в експлоатация най-големия телескоп - стоинчов рефлектор (250 см - прибл. авт.). Наред с други, Хъбъл получава покана да работи в обсерваторията. Въпреки това през пролетта на 1917 г., когато той завършва дисертацията си, САЩ влизат в Първата световна война. Младият учен отклонява поканата и отива доброволец в армията. Като част от американските експедиционни сили майор Хъбъл се озова в Европа през есента на 1918 г., малко преди края на войната, и нямаше време да участва във военните действия. През лятото на 1919 г. Хъбъл се демобилизира и бърза за Пасадена, за да приеме поканата на Хейл.

В обсерваторията Хъбъл започва да изучава мъглявини, фокусирайки се първо върху обекти, видими в лентата на Млечния път.

В антологията „Book of Primary Sources on Astronomy and Astrophysics, 1900-1975” от K. Lang и O. Gingerich (САЩ), която възпроизвежда най-забележителните изследвания за три четвърти от двадесети век, са поставени три произведения на Хъбъл и първата от тях е работа върху класификацията на извънгалактични мъглявини. Другите две са свързани с установяването на природата на тези мъглявини и откриването на закона за червеното отместване.

През 1923 г. Хъбъл започва да наблюдава мъглявината в съзвездието Андромеда с рефлектори от 60 и 100 инча. Ученият заключава, че голямата мъглявина Андромеда наистина е друга звездна система. Хъбъл получи същите резултати за мъглявината MOS 6822 и мъглявината Триъгълник.

Въпреки че много астрономи скоро разбраха за откритието на Хъбъл, официалното съобщение беше направено едва на 1 януари 1925 г., когато Г. Ресел прочете доклада на Хъбъл на конгреса на Американското астрономическо общество. Известният астроном Д. Стебинс пише, че докладът на Хъбъл „разширява обема на материалния свят стократно и окончателно решава дългия спор за природата на спиралите, доказвайки, че това са гигантски колекции от звезди, почти сравними по размер с нашата галактика .” Сега Вселената се появи пред астрономите като пространство, изпълнено със звездни острови - галактики.

Вече едно установяване на истинската природа на мъглявините определи мястото на Хъбъл в историята на астрономията. Но на неговата участ се падна още по-забележително постижение - откриването на закона за червеното отместване.

Спектралните изследвания на спирални и елиптични "мъглявини" са започнали през 1912 г. въз основа на такива съображения1, ако те наистина се намират извън нашата Галактика, тогава те не участват в нейното въртене и следователно техните радиални скорости ще показват движението на Слънцето . Очакваше се тези скорости да са от порядъка на 200–300 километра в секунда, т.е. да съответстват на скоростта на Слънцето около центъра на Галактиката.

Междувременно, с малки изключения, радиалните скорости на галактиките се оказаха много по-високи: те се измерваха в хиляди и десетки хиляди километри в секунда.

В средата на януари 1929 г. в докладите на Националната академия на науките на САЩ Хъбъл представя кратка бележка, озаглавена „За връзката между разстоянието и радиалната скорост на извънгалактическите мъглявини“. По това време Хъбъл вече имаше способността да сравнява скоростта на една галактика с нейното разстояние за 36 обекта. Оказа се, че тези две величини са свързани с условието за пряка пропорционалност: скоростта е равна на разстоянието, умножено по константата на Хъбъл.

Този израз се нарича закон на Хъбъл. Ученият през 1929 г. определя числената стойност на константата на Хъбъл при 500 km / (s x Mpc). Той обаче направи грешка при установяването на разстоянията до галактиките. След многократни корекции и уточнения на тези разстояния, числената стойност на константата на Хъбъл сега се приема за 50 km/(s x Mpc).

Обсерваторията Маунт Уилсън започва да определя радиалните скорости на все по-отдалечени галактики. До 1936 г. М. Хюмасън публикува данни за сто мъглявини. Рекордна скорост от 42 000 километра в секунда беше регистрирана от член на далечен клъстер от галактики в Голямата мечка. Но това вече беше границата на 100-инчовия телескоп. Бяха необходими по-мощни инструменти.

„Възможно е да се подходи към въпроса за разширяването на космоса от Хъбъл, като се използват по-познати, интуитивни изображения“, казва Т. Реге. - Например, нека си представим войници, строени на някакъв квадрат с интервал от 1 метър. След това нека се даде команда за раздалечаване на редовете за една минута, така че този интервал да се увеличи до 2 метра. Без значение как се изпълнява командата, относителната скорост на двама войници, стоящи един до друг, ще бъде 1 m/min, а относителната скорост на двама войници, стоящи на разстояние 100 метра един от друг, ще бъде 100 m/min, ако вземем предвид, че разстоянието между тях ще се увеличи от 100 на 200 метра. По този начин скоростта на взаимно отстраняване е пропорционална на разстоянието. Забележете, че след разширяването на серията космологичният принцип остава в сила: „галактиките-войници“ все още са равномерно разпределени и се запазват същите пропорции между различните взаимни разстояния.

Единственият недостатък на нашето сравнение е, че на практика един от войниците винаги стои неподвижно в центъра на квадрата, докато останалите се разпръскват със скорост, толкова по-голяма, колкото по-голямо е разстоянието от тях до центъра. В космоса обаче няма крайъгълни камъни, спрямо които да могат да се направят абсолютни измервания на скоростта; Ние сме лишени от такава възможност от теорията на относителността: всеки може да сравни своето движение само с движението на тези, които вървят до него, и в същото време ще му се струва, че те бягат от него.

Следователно виждаме, че законът на Хъбъл гарантира, че космологичният принцип остава непроменен през цялото време и това ни потвърждава в мнението, че и законът, и самият принцип са наистина валидни.

Друг пример за интуитивен образ е експлозията на бомба; в този случай, колкото по-бързо лети фрагментът, толкова по-далеч ще лети. Миг след самата експлозия виждаме, че фрагментите са разпределени в съответствие със закона на Хъбъл, тоест техните скорости са пропорционални на разстоянията им. Тук обаче космологичният принцип е нарушен, защото ако се отдалечим достатъчно от мястото на експлозията, няма да видим никакви фрагменти. По този начин се предлага най-известният термин в съвременната космология "голям взрив". Според тези идеи преди около 20 милиарда години цялата материя на Вселената е била събрана в една точка, от която започва бързото разширяване на Вселената до съвременни размери.

Законът на Хъбъл беше почти веднага признат в науката. Значението на откритието на Хъбъл беше високо оценено от Айнщайн. През януари 1931 г. той пише: „Новите наблюдения на Хъбъл и Хюмасън относно червеното отместване... правят правдоподобно, че общата структура на Вселената не е неподвижна.“

Откритието на Хъбъл окончателно унищожи идеята, която съществуваше от времето на Аристотел за статична, непоклатима Вселена. В момента законът на Хъбъл се използва за определяне на разстоянията до далечни галактики и квазари.

КЛАСИФИКАЦИЯ НА ГАЛАКТИКИТЕ

Историята на "откриването" на света на галактиките е много поучителна. Преди повече от двеста години Хершел построи първия модел на Галактиката, като подцени размера му петнадесет пъти. Изучавайки многобройни мъглявини, чието разнообразие от форми за първи път открива, Хершел стига до извода, че някои от тях са далечни звездни системи "от типа на нашата звездна система". Той пише: „Не намирам за необходимо да повтарям, че небесата се състоят от области, в които слънцата са събрани в системи“. И още нещо: "...тези мъглявини могат да се нарекат и Млечни пътища - с малка буква, за разлика от нашата система."

В крайна сметка обаче самият Хершел заема различна позиция по отношение на природата на мъглявините. И не беше случайно. В крайна сметка той успя да докаже, че повечето от откритите и наблюдавани от него мъглявини не се състоят от звезди, а от газ. Той стигна до много песимистично заключение: „Всичко извън собствената ни система е обвито в мрака на неизвестното“.

Английският астроном Агнес Кларк пише в „Системата на звездите“ през 1890 г.: „Сигурно може да се каже, че нито един компетентен учен, разполагащ с всички налични доказателства, няма да бъде на мнение, че дори една мъглявина е звездна система, сравнима по размер с Млечния начин. Практически е установено, че всички обекти, наблюдавани в небето (както звезди, така и мъглявини), принадлежат към една огромна съвкупност "...

Причината за тази гледна точка беше, че дълго време астрономите не можеха да определят разстоянията до тези звездни системи. И така, от измерванията, извършени през 1907 г., се твърди, че разстоянието до мъглявината Андромеда не надвишава 19 светлинни години. Четири години по-късно астрономите стигнаха до извода, че това разстояние е около 1600 светлинни години. И в двата случая се създаде впечатлението, че споменатата мъглявина наистина се намира в нашата Галактика.

През двадесетте години на миналия век между астрономите Шапли и Къртис избухва ожесточен спор за природата на Галактиката и други обекти, видими с телескопи. Сред тези обекти е известната мъглявина Андромеда (M31), която се вижда само с просто око като звезда от четвърта величина, но се разгръща във величествена спирала, когато се гледа през голям телескоп. По това време в някои от тези мъглявини бяха регистрирани изблици на нови звезди. Къртис предположи, че при максимална яркост тези звезди излъчват същото количество енергия като новите звезди в нашата Галактика. И така, той установи, че разстоянието до мъглявината Андромеда е 500 000 светлинни години. Това даде основание на Къртис да твърди, че спиралните мъглявини са далечни звездни вселени като Млечния път. Шапли не беше съгласен с това заключение и разсъжденията му също бяха съвсем логични.

Според Шапли цялата Вселена се състои от една наша галактика, а спиралните мъглявини като M31 са по-малки обекти, разпръснати в тази галактика, като стафиди в торта.

Да предположим, каза той, че мъглявината Андромеда има същите размери като нашата Галактика (300 000 светлинни години, според него). След това, знаейки нейните ъглови размери, откриваме, че разстоянието до тази мъглявина е 10 милиона светлинни години! Но тогава не е ясно защо новите звезди, наблюдавани в мъглявината Андромеда, имат по-голяма яркост, отколкото в нашата Галактика. Ако яркостта на новите в тази "мъглявина" и в нашата Галактика е еднаква, то от това следва, че мъглявината Андромеда е 20 пъти по-малка от нашата Галактика.

Къртис, напротив, вярваше, че M31 е независима островна галактика, не по-ниска по достойнство от нашата Галактика и отдалечена от нея с няколкостотин хиляди светлинни години. Създаването на големи телескопи и напредъкът на астрофизиката доведоха до признаването на правотата на Къртис. Измерванията на Шапли се оказват грешни. Той силно подцени разстоянието до M31. Къртис обаче също греши: вече е известно, че разстоянието до M31 е повече от два милиона светлинни години.

Естеството на спиралните мъглявини е окончателно установено от Едуин Хъбъл, който в края на 1923 г. открива първата цефеида в мъглявината Андромеда, а скоро и още няколко цефеиди. Оценявайки видимите им величини и периоди, Хъбъл установи, че разстоянието до тази "мъглявина" е 900 000 светлинни години. Така окончателно се установи принадлежността на спиралните „мъглявини“ към света на звездните системи като нашата Галактика.

Ако говорим за разстоянията до тези обекти, те все още трябваше да бъдат изяснени и преразгледани. Така че всъщност разстоянието до галактиката M 31 в Андромеда е 2,3 милиона светлинни години.

Светът на галактиките се оказа изненадващо огромен. Но още по-изненадващо е разнообразието на неговите форми.

Първата и доста успешна класификация на галактиките според външния им вид вече е предприета от Хъбъл през 1925 г. Той предложи галактиките да се припишат на един от следните три типа: 1) елиптични (обозначени с буквата E), 2) спираловидни (S) и 3) неправилни (1 g).

Тези галактики бяха класифицирани като елиптични, които имат формата на правилни кръгове или елипси и чиято яркост постепенно намалява от центъра към периферията. Тази група е подразделена на осем подтипа от EO до E7, тъй като видимото свиване на галактиката се увеличава. SO лещовидните галактики са подобни на силно сплескани елиптични системи, но имат добре дефинирано централно звездно ядро.

Спиралните галактики, в зависимост от степента на развитие на спиралите, се разделят на подкласове Sa, Sb и Sc. В галактиките тип Sa основният компонент е ядрото, докато спиралите са все още слабо изразени. Преходът към следващия подклас е изявление на факта за нарастващото развитие на спиралите и намаляването на видимия размер на ядрото.

Успоредно с нормалните спирални галактики съществуват и така наречените кръстосани спирални системи (SB). В галактики от този тип много ярко централно ядро се пресича в диаметър от напречна лента. От краищата на този мост започват спиралните разклонения и в зависимост от степента на развитие на спиралите тези галактики се делят на подтипове SBa, SBb и SBc.

Неправилните галактики (Ir) са обекти, които нямат ясно дефинирано ядро и нямат ротационна симетрия. Техни типични представители са Магелановите облаци.

„Използвах го в продължение на 30 години“, пише по-късно известният астроном Уолтър Бааде, „и въпреки че упорито търсих обекти, които наистина не могат да се поберат в системата на Хъбъл, техният брой се оказа толкова незначителен, че мога да ги преброя на пръсти.” Класификацията на Хъбъл продължава да служи на науката и всички последващи модификации на създанието не я засягат.

Известно време се смяташе, че тази класификация има еволюционен смисъл, т.е. че галактиките се "движат" по "диаграмата на камертона" на Хъбъл, като последователно променят формата си. Сега тази гледна точка се счита за погрешна.

Сред няколкото хиляди най-ярки галактики има 17 процента елиптични, 80 процента спирални и около 3 процента неправилни.

През 1957 г. съветският астроном Б.А. Воронцов-Вельяминов открива съществуването на „взаимодействащи си галактики“ – галактики, свързани с „решетки“, „опашки“, както и „гама-форми“, т.е. галактики, в които едната спирала „се извива“, а другата „се развива“. По-късно бяха открити компактни галактики, чийто размер е само около 3000 светлинни години, и изолирани в космоса звездни системи с диаметър само 200 светлинни години. По външния си вид те практически не се различават от звездите на нашата Галактика.

Новият общ каталог (NOC) съдържа списък от около десет хиляди галактики, заедно с техните най-важни характеристики (осветеност, форма, разстояние и т.н.) - и това е само малка част от десетте милиарда галактики, които по принцип са различими от Земята. Страхотен гигант, способен да покрие сто или два милиона светлинни години, гледайки Вселената, би видял, че тя е пълна с космическа мъгла, от която галактиките са капчици. Понякога има купове от хиляди галактики, групирани заедно. Един такъв гигантски куп е в съзвездието Дева.

Едно от най-важните произведения на Едуин Хъбъл е наблюдението на мъглявината, разположена в съзвездието Андромеда. Изучавайки я със стоинчов рефлектор, ученият успя да класифицира мъглявината като някакъв вид звездна система. Същото важи и за мъглявината в съзвездието Триъгълник, която също получи статут на галактика. Откритието на Хъбъл разширява обема на материалния свят. Сега Вселената започна да изглежда като пространство, изпълнено с галактики - гигантски звездни купове. Помислете за закона, който той откри - закона на Хъбъл, един от най-фундаменталните закони на съвременната космология.

Константата на Хъбъл е з 0 = (67,80 ± 0,77) (km/s)/Mpc

История и същност на откритието

Космологичният закон, който характеризира разширяването на Вселената, сега е известен точно като закон на Хъбъл. Това е най-важният наблюдателен факт в съвременната космология. Помага при изчисляването на времето за разширяване на Вселената. Изчисленията се правят, като се вземе предвид коефициентът на пропорционалност, наречен константа на Хъбъл. Самият закон получава сегашния си статут отначало в резултат на работата на Дж. Леметр, а по-късно и Е. Хъбъл, които използват имотите за това. Тези интересни обекти имат периодични промени в осветеността, което дава възможност да се определи разстоянието им доста надеждно. Използвайки връзката период-светимост, той измерва разстоянията до някои цефеиди.Той също така идентифицира техните галактики, което направи възможно изчисляването на радиалните скорости. Всички тези експерименти са проведени през 1929 г.

Стойността на коефициента на пропорционалност, която ученият изведе, беше приблизително 500 km / s на 1 Mpc. Но в наше време параметрите на коефициента са се променили. Сега тя е 67,8 ± 0,77 км/сек за 1 Mpc. Това несъответствие се обяснява с факта, че Хъбъл не е взел предвид корекцията за изчезване, която все още не е била открита по негово време. Плюс това правилните скорости на галактиките, съчетани със скоростта, обща за група галактики, не бяха взети под внимание. Трябва също така да се има предвид, че разширяването на Вселената не е просто разширяване на галактиките в космоса. Това е и динамична промяна в самото пространство.

Константа на Хъбъл

Това е компонент на закона на Хъбъл, който свързва стойностите на разстоянието до обект, разположен извън нашата галактика, и скоростта на неговото отстраняване. Позициите на тази константа определят средните стойности на скоростите на галактиките. Използвайки константата на Хъбъл, може да се определи, че галактика с разстояние 10 Mpc се отдалечава със скорост 700 км/сек. А галактика на 100 Mpc ще има скорост от 7000 км/сек. Досега всички открити обекти от свръхдълбокия космос се вписват в рамката на закона на Хъбъл.

В моделите, където е налице разширяващата се вселена, константата на Хъбъл променя стойността си с времето.

Името е оправдано от постоянството му във всички точки на Вселената, но само в определен момент от времето. Някои астрономи играят на тази промяна, като наричат константата променлива.

Изводи от закона

След като установи, че мъглявината Андромеда е галактика, състояща се от отделни звезди, Хъбъл обърна внимание на изместването на спектралните линии на радиация от съседни галактики. Изместването беше изместено към червената страна и ученият описа това като проява на ефекта на Доплер. Оказа се, че галактиките, спрямо Земята, се отдалечават. Допълнителни изследвания помогнаха да се разбере, че галактиките бягат толкова по-бързо, колкото са от нас. Именно този факт определи, че законът на Хъбъл е центростремителното отдалечаване на Вселената със скорости, които нарастват с разстоянието от наблюдателя. В допълнение към факта, че Вселената се разширява, законът определя, че тя все още има своето начало във времето. За да разберете този постулат, трябва да се опитате да започнете продължаващото разширяване визуално назад. В този случай можете да стигнете до началната точка. В тази точка - малка бучка протоматерия - беше концентриран целият обем на настоящата Вселена.

Законът на Хъбъл също е в състояние да хвърли светлина върху възрастта на нашия свят. Ако премахването на всички галактики е станало първоначално със същата скорост, която се наблюдава сега, тогава времето, изминало от началото на разширяването, е самата стойност на възрастта. При текущата стойност на константата на Хъбъл (67,8 ± 0,77 km/sec за 1 Mpc), възрастта на нашата Вселена се оценява на (13,798 ± 0,037) . 10 9 години.

Значение в астрономията

Айнщайн оцени високо работата на Хъбъл и законът бързо беше признат в науката. Именно наблюденията на Хъбъл (заедно с Хюмасън) на червените премествания направиха правдоподобно да се предположи, че Вселената не е неподвижна. Законът, формулиран от великия учен, всъщност стана индикация, че във Вселената има определена структура, която влияе на рецесията на галактиките. Има свойството да изглажда нееднородностите на космическата материя. Тъй като отдалечаващите се галактики не се забавят, както би трябвало поради действието на собствената си гравитация, трябва да има някаква сила, която ги тласка една от друга. И тази сила се нарича тъмна енергия, която има около 70% от цялата маса/енергия на видимата вселена.

Сега разстоянията до далечни галактики и квазари се изчисляват с помощта на закона на Хъбъл. Основното е, че наистина се оказва вярно за цялата Вселена, безгранична във времето и пространството. В края на краищата ние все още не знаем свойствата на тъмната материя, което може да коригира всякакви идеи и закони.