С какой скоростью мы движемся сквозь вселенную. Определение расстояний до галактик по «красному смещению Как было открыто явление разлета галактик

Рассмотрим две галактики, находящиеся на расстоянии L друг от друга и удаляющиеся друг от друга со скоростью V . Чему равна величина красного смещения в спектре первой галактики, измеренная наблюдателем, находящимся на второй?

Казалось бы, ответ очевиден. Величина красного смещения z равна:

Однако такую величину красного смещения следовало бы ожидать в стационарной Вселенной. Но ведь наша Вселенная расширяется! Может ли сам факт расширения Вселенной влиять на величину красного смещения?

Изменим условие задачи. Теперь предположим, что галактики находятся на фиксированном расстоянии L друг от друга (например, они медленно вращаются вокруг общего центра масс). Обнаружит ли наблюдатель, находящийся на одной галактике, красное смещение в спектре другой, из-за того, что Вселенная расширяется?

Когда Вселенная расширяется, она преодолевает гравитационное притяжение между своими частями. Поэтому по мере расширения Вселенной скорость её расширения уменьшается. Фотон, двигаясь от одной галактики к другой, так же, как и любой объект внутри Вселенной, гравитационно взаимодействует с расширяющейся материей и, тем самым, «тормозит» расширение Вселенной. Поэтому энергия фотона, движущегося в расширяющейся Вселенной, должна уменьшаться. Сделаем количественные оценки.

Когда фотон вылетел из одной галактики, гравитационный потенциал внутри Вселенной, создаваемый всей материей Вселенной, был равен Ф 1 . Когда фотон прилетел во вторую галактику, гравитационный потенциал внутри Вселенной увеличился из-за расширения Вселенной и стал равен Ф 2 > Ф 1 (при этом |Ф 2 | < | Ф 1 |, так как гравитационный потенциал меньше нуля). То есть фотон, вылетев из области с более низким гравитационным потенциалом, прилетел в область с более высоким гравитационным потенциалом. В результате этого энергия фотона уменьшилась.

Таким образом, величина красного смещения в спектре излучения галактики, которая удаляется от нас, будет складываться из двух частей. Первая часть, вызванная непосредственно скоростью удаления галактик, – это так называемый доплеровский эффект. Его величина равна:

Вторая часть вызвана тем, что Вселенная расширяется, и поэтому гравитационный потенциал внутри неё возрастает. Это так называемое красное гравитационное смещение. Его величина равна:

(8.9)

Здесь Ф 1 – гравитационный потенциал Вселенной в месте вылета фотона, в момент его вылета; Ф 2 – гравитационный потенциал Вселенной в месте регистрации фотона, в момент его регистрации.

В результате величина красного смещения в спектре излучения удаляющейся от нас галактики будет равна:

(8.10)

И мы приходим к очень важному выводу. Только часть красного космологического смещения, наблюдаемого в спектрах излучения далёких галактик, вызвана непосредственно удалением этих галактик от нас. Другая же часть красного смещения вызвана увеличением гравитационного потенциала Вселенной. Поэтому скорости, с которыми галактики удаляются от нас, меньше , чем предполагается в современной космологии, а возраст Вселенной, соответственно, больше .

Расчёты, выполненные в , показывают, что если плотность Вселенной близка к критической (такой вывод делается на основе изучения крупномасштабного распределения галактик), то:

То есть только 2/3 величины красного космологического смещения z 0 в спектрах далёких галактик (8.10) вызвано скоростью удаления галактик. Соответственно, постоянная Хаббла в 1,5 раза меньше, чем предполагается в современной космологии, а возраст Вселенной, наоборот, в 1,5 раза больше.

А как решается вопрос о происхождении красного космологического смещения в общей теории относительности? Рассмотрим две галактики, которые участвуют в космологическом расширении Вселенной и пекулярные скорости которых настолько малы, что ими можно пренебречь. Пусть расстояние между галактиками в момент вылета фотона из первой галактики равно L . Когда фотон прилетит во вторую галактику, расстояние между галактиками увеличится и будет равно L + L D. В общей теории относительности гравитационное взаимодействие полностью сводится к геометрии. Согласно этой теории наиболее важной величиной, характеризующей расширяющуюся Вселенную, является так называемый масштабный фактор. Если пекулярными скоростями двух удалённых друг от друга галактик можно пренебречь, то масштабный фактор будет изменяться пропорционально изменению расстояния между этими галактиками.

Согласно общей теории относительности длина волны фотона l, движущегося в расширяющейся Вселенной, изменяется пропорционально изменению масштабного фактора, и красное смещение, соответственно, равно:

(8.12)

Если V – скорость удаления галактик друг от друга, t – время полёта фотона, то:

В результате получаем:

Таким образом, согласно общей теории относительности красное космологическое смещение не зависит ни от плотности Вселенной, ни от скорости, с которой изменяется гравитационный потенциал Вселенной, а зависит только от относительной скорости разбегания галактик. И если бы, например, наша Вселенная расширялась с такой же скоростью, что и сейчас, но имела бы при этом в несколько раз меньшую плотность, то согласно общей теории относительности величина красного космологического смещения в спектрах излучения галактик была бы той же самой . Получается, что существование огромных масс внутри Вселенной, сдерживающих расширение Вселенной, никак не влияет на энергию движущихся фотонов! Это представляется маловероятным.

Возможно, именно поэтому возникли серьёзные проблемы при попытке объяснить в рамках общей теории относительности зависимость красных смещений в спектрах очень далёких сверхновых звёзд от величины расстояния до них. И чтобы «спасти» общую теорию относительности, в конце двадцатого века космологи выдвинули предположение, что наша Вселенная расширяется не с замедлением, а, наоборот, с ускорением, вопреки закону Всемирного тяготения (эта тема обсуждается в ).

Здесь мы не будем обсуждать гипотезу ускоренного расширения Вселенной (хотя, по моему глубокому убеждению, не только общая теория относительности, но и никакая другая теория не стоит того, чтобы её спасать при помощи подобных гипотез), а вместо этого постараемся перевести данную проблему из области теоретической физики в область эксперимента. Действительно, зачем вести теоретические споры о происхождении красного космологического смещения, если можно получить ответ на этот вопрос в физической лаборатории?

Сформулируем этот важный вопрос ещё раз. Существует ли красное космологическое смещение, вызванное не доплеровским эффектом удаления галактик, а тем фактом, что при движении фотона возрастает гравитационный потенциал Вселенной?

Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно провести следующий эксперимент (см. рис. 33).

Луч лазера разделяется на два луча так, что один луч сразу попадает на детектор, а второй луч сначала движется некоторое время между двумя параллельными зеркалами и только после этого попадает на детектор. Таким образом, второй луч попадает на детектор с временной задержкой t(несколько минут). И на детекторе сравниваются длины волн двух лучей, испущенных в моменты времени t -tи t . Изменение длины волны второго луча относительно первого следует ожидать из-за возрастания гравитационного потенциала Вселенной, вызванного её расширением.

Этот эксперимент подробно обсуждается в , поэтому сейчас мы рассмотрим только основные выводы, которые можно будет сделать после его проведения.

Рис. 33 . Принципиальная схема эксперимента по измерению красного космологического смещения, вызванного не доплеровским эффектом, а изменением гравитационного потенциала внутри Вселенной.

Луч лазера направляется на полупрозрачное зеркало. При этом одна часть луча проходит сквозь зеркало и по кратчайшему пути попадает на детектор. А вторая часть луча, отразившись от зеркала и пройдя через систему зеркал 1, 2, 3, попадает на детектор с некоторой задержкой по времени. И в результате на детекторе сравниваются длины волн двух лучей, испущенных в разные моменты времени.

Во-первых, мы сможем узнать, существует или нет красное космологическое смещение, вызванное не скоростью удаления источника, а самим фактом расширения Вселенной, то есть возрастанием гравитационного потенциала внутри Вселенной.

Во-вторых, если такое смещение будет обнаружено (а для этого есть все основания), то, тем самым, мы, посредством лабораторного эксперимента, докажем сам факт расширения Вселенной . И более того, сможем измерить скорость, с которой возрастает гравитационный потенциал, создаваемый всей материей во Вселенной.

В-третьих, отняв от величины красного смещения в спектрах далёких галактик ту часть, которая вызвана не скоростью их удаления, а изменением гравитационного потенциала, мы узнаем истинную скорость удаления галактик, и таким образом сможем исправить существующую оценку возраста Вселенной.

Тем временем, наша местная группа мчится по направлению к центру скопления Девы (Virgo Cluster) на скорости 150 миллионов километров в час.

Млечный Путь и соседка Андромеда, наряду с 30 более мелкими галактиками, а также тысячи галактик Девы, все это притягивается Великим аттрактором. Учитывая скорости при таких масштабах, невидимая масса, занимающая пустоты между галактиками и кластерами галактик, должна по меньшей мере в десять раз превышать видимую материю.

Даже при всем этом, добавив этот невидимый материал к видимому материалу и получив среднюю массу вселенной, мы получим всего 10-30 % от критической плотности, которая необходима, чтобы «закрыть» вселенную. Этот феномен позволяет предположить, что вселенная «открыта». Космологи продолжают спорить на эту тему точно так же, как пытаются , или «темной материи».

Считается, что определяет структуру Вселенной на огромных масштабах. Темная материя гравитационно взаимодействует с нормальным веществом и именно это позволяет астрономам наблюдать формирование длинных тонких стен супергалактических кластеров.

Недавние измерения (с помощью телескопов и космических зондов) распределения массы в M31, крупнейшей галактике в окрестностях Млечного Пути, и других галактиках привели к признанию того факта, что галактики наполнены темной материей, и показали, что таинственная сила - - заполняет вакуум пустого пространства, ускоряя расширение Вселенной.

Теперь астрономы понимают, что окончательная судьба вселенной неразрывно связана с наличием темной энергии и темной материи. Современная стандартная модель для космологии предполагает, что во вселенной 70 % темной энергии, 25 % темной материи и всего 5 % нормальной материи.

Мы не знаем, что такое темная энергия и почему она существует. С другой стороны, теория частиц подсказывает, что на микроскопическом уровне даже идеальный вакуум пузырится квантовыми частицами, которые являются естественным источником темной энергии. Но элементарные расчеты показывают, что темная энергия, которая вырабатывается из вакуума, имеет значение в 10 120 раз больше, чем то, которое мы наблюдаем. Некоторые неизвестные физические процессы должны устранять большинство, но не всю, энергию вакуума, оставляя достаточно для ускорения расширения вселенной.

Новой теории элементарных частиц придется объяснить этот физический процесс. Новые теории «темных аттракторов» прикрываются так называемым принципом Коперника, который говорит о том, что нет ничего удивительного в том, что мы, наблюдатели, предполагаем, что вселенная неоднородна. Такие альтернативные теории объясняют наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной без привлечения темной энергии, а вместо этого предполагают, что мы недалеко от центра пустоты, за которой более плотный «темный» аттрактор тянет нас к себе.

В статье, опубликованной в Physical Review Letters , Пенгжи Чжан из Шанхайской астрономической обсерватории и Альберт Стеббинс на выставке лаборатории Ферми показали, что популярная модель пустоты и многие другие вполне могут заменить темную энергию, не вступая в противоречия с наблюдениями телескопов.

Опросы показывают, что вселенная однородна, по меньшей мере, на масштабах до гигапарсека. Чжан и Стеббинс утверждают, что если большие масштабы неоднородности существуют, они должны быть обнаружены как температурный сдвиг в космическом микроволновом фоне реликтовых фотонов, образовавшихся спустя 400 000 лет после Большого Взрыва. Это происходит из-за электронно-фотонного рассеяния (обратного Комптоновскому).

Сосредоточив внимание на модели пустоты «пузырь Хаббла», ученые показали, что в таком сценарии некоторые области вселенной будут расширяться быстрее, чем другие, в результате чего температурный сдвиг будет больше, чем ожидается. Но телескопы, изучающие реликтовое излучение, не видят такого большого сдвига.

Что ж, как говорил Карл Саган, «экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств».

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.

Великим физикам прошлого И. Ньютону и А. Эйнштейну Вселенная представлялась статичной. Советский физик А. Фридман в 1924 г. выступил с теорией «разбегающихся» галактик. Фридман предсказал расширение Вселенной. Это было революционным переворотом в физическом представлении о нашем мире.

Американский астроном Эдвин Хаббл исследовал туманность Андромеды. К 1923 году ему удалось рассмотреть, что ее окраины представляют собой скопления отдельных звезд. Хаббл рассчитал расстояние до туманности. У него оказалось – 900 000 световых лет (более точно рассчитанное на сегодняшний день расстояние составляет 2,3 миллиона световых лет). То есть туманность находится далеко за пределами Млечного Пути – Нашей Галактики. Пронаблюдав эту и другие туманности, Хаббл пришел к выводу о структуре Вселенной.

Вселенная 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.

Э. Хаббл подметил 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 больше 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.

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 с измерениями скоростей их удаления (по красному смещению).

Математически закон формулируется очень просто:

где v – скорость удаления галактики от нас,

r – расстояние до нее,

H – постоянная Хаббла.

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, все более удаленных от Млечного Пути галактик видимой Вселенной, из-под действия этого закона не выпадает.

Итак, главное следствие закона Хаббла:

Вселенная расширяется.

Расширяется сама ткань мирового пространства. Все наблюдатели (и мы с вами не исключение) считают себя находящимися в центре Вселенной.

4. Теория Большого Взрыва

Из экспериментального факта разбегания галактик был оценен возраст Вселенной. Он оказался равным – около 15 миллиардов лет! Так началась эпоха современной космологии.

Естественно возникает вопрос: а что было в начале? Всего около 20 лет понадобилось ученым, чтобы вновь полностью перевернуть представления о Вселенной.

Ответ предложил выдающийся физик Г. Гамов (1904 – 1968) в 40-ые годы. История нашего мира началась с Большого взрыва. Именно так думает большинство астрофизиков и cегодня.

Большой взрыв – это стремительное падение изначально огромной плотности, температуры и давления вещества, сконцентрированного в очень малом объеме Вселенной. Все 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.

Более удачной космологической модели происхождения и эволюции Вселенной на сегодня не имеется.

Согласно теории Большого взрыва, ранняя Вселенная состояла из фотонов, электронов и других частиц. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами. По мере расширения Вселенной, она остывала, и на определенном этапе электроны стали соединяться с ядрами водорода и гелия и образовывать атомы. Это случилось при температуре около 3000 К и примерном возрасте Вселенной 400 000 лет. С этого момента фотоны смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Но нам остались «свидетели» той эпохи – это реликтовые фотоны. Считается, что реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно ее заполняет. В результате дальнейшего остывания излучения его температура снизилась и сейчас составляет около 3 К.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва. Оно рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Следующая ступень организации материи во Вселенной − галактики. Типичным примером является наша галактика − Млечный путь. Она содержит около 10 11 звезд и имеет форму тонкого диска с утолщением в центре.
На рис. 39 схематически показано строение нашей галактики Млечный путь и указано положение Солнца в одном из спиральных рукавов галактики.

Рис. 39. Строение галактики Млечный путь.

На рис. 40 показана проекция на плоскость 16 ближайших соседей нашей галактики.

Рис. 40. 16 ближайших соседей нашей Галактики, спроецированных на плоскость. БМО и ММО − Большое и Малое Магелланово Облако

Звезды в галактиках распределены неравномерно.
Размеры галактик изменяются от 15 до 800 тысяч световых лет. Масса галактик варьируется от 10 7 до 10 12 масс Солнца. В галактиках сосредоточено основное число звезд и холодного газа. Звезды в галактиках удерживаются суммарным гравитационным полем галактики и темной материи.
Наша галактика Млечный путь представляет собой типичную спиральную систему. Звезды в галактике наряду с общим вращением галактик имеют также собственные скорости относительно галактики. Орбитальная скорость Солнца в нашей галактике составляет 230 км/с. Собственная скорость Солнца относительно галактики составляет
20 км/с.

Открытие мира галактик принадлежит Э. Хабблу. В 1923–1924 гг., наблюдая изменения светимости цефеид, находящихся в отдельных туманностях, он показал, что обнаруженные им туманности являются галактиками, расположенными за пределами нашей галактики − Млечного пути. В частности он обнаружил, что Туманность Андромеды является другой звездной системой − галактикой, не входящей в состав нашей галактики Млечный путь. Туманность Андромеды – спиральная галактика, находящаяся на расстоянии 520 кпк. Поперечный размер туманности Андромеды составляет 50 кпк.
Изучая лучевые скорости отдельных галактик, Хаббл сделал выдающееся открытие:

H = 73.8 ± 2.4 км·сек -1 ·мегапарсек -1 – параметр Хаббла.

Рис. 41. Оригинальный график Хаббла из работы 1929 г.

Рис. 42. Скорость удаления галактик в зависимости от расстояния до Земли.

На рис. 42 в начале координат квадратом показана область скоростей галактик и расстояний до них, на основе которой Э. Хаббл вывел соотношение (9).
Открытие Хаббла имело предысторию. В 1914 г. астроном В. Слайфер показал, что туманность Андромеды и ещё несколько туманностей движутся относительно Солнечной системы со скоростями около 1000 км/ч. Э. Хабблу, работавшему на крупнейшем в мире телескопе с главным зеркалом диаметром 2,5 м обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии (США), удалось впервые разрешить отдельные звезды в туманности Андромеды. Среди этих звезд были звезды-цефеиды, для которых известна зависимость между периодом изменения светимости и светимостью.
Зная светимость звезды и скорость звезды, Э. Хаббл получил зависимость скорости удаления звезд от Солнечной системы в зависимости от расстояния. На рис. 41 приведен график из оригинальной работы Э. Хаббла.

Рис. 43. Космический телескоп Хаббл

Эффект Доплера Эффект Доплера − изменение частоты, регистрируемой приемником при движении источника или приемника. Если движущийся источник излучает свет, имеющий частоту ω 0 , то частота света, регистрируемая приемником, определяется соотношением с − скорость света в вакууме, v − скорость движения источника излучения относительно приемника излучения, θ − угол между направлением на источник и вектором скорости в системе отсчета приемника. θ = 0 соответствует радиальному удалению источника от приемника, θ = π соответствует радиальному приближению источника к приемнику.

Лучевую скорость движения небесных объектов − звезд, галактик − определяют, измеряя изменение частоты спектральных линий. При удалении источника излучения от наблюдателя происходит смещение длин волн в сторону более длинных длин волн (красное смещение). При приближении источника излучения к наблюдателю происходит смещение длин волн в сторону более коротких длин волн (синее смещение). По увеличению ширины распределения спектральной линии можно определить температуру излучающего объекта.
Хаббл разделил галактики по их внешнему виду на три больших класса:

эллиптические (E),

спиральные (S),

иррегулярные (Ir).

Рис. 44. Типы галактик (спиральная, эллиптическая, иррегулярная).

Характерной чертой спиральных галактик являются спиральные ветви, простирающиеся от центра по всему звездному диску.
Эллиптические галактики представляют собой бесструктурные системы эллиптической формы.
Иррегулярные галактики выделяются внешне хаотической, клочковатой структурой и не имеют какой-то определенной формы.
Такая классификация галактик отражает не только их внешние формы, но и свойства входящих в них звезд.
Эллиптические галактики состоят преимущест­венно из старых звезд. В иррегулярных галактиках основной вклад в излучение дают звезды моложе Солнца. В спиральных галактиках обнаруживаются звезды всех возрастов. Таким образом, различие во внешнем виде галактик определяется характером их эволюции. В эллиптических галактиках звездообразование практически прекратилось миллиарды лет назад. В спиральных галактиках образование звезд продолжается. В иррегулярных галактиках звездообразование происходит так же интенсивно, как и миллиарды лет назад. Почти все звезды сосредоточенны в широком диске, основную массу которого составляет межзвездный газ.
В таблице 19 приведены относительное сравнение этих трех типов галактик и сравнение их свойств на основе анализа Э.Хаббла.

Таблица 19

Основные типы галактик и их свойства (по Э. Хабблу)
Спиральные	Эллиптические	Иррегулярные
Процентное соотношение во Вселенной
Форма и структурные свойства
Плоский диск звезд и газа со спиральными рукавами, утолщающимися к центру. Ядро из более старых звезд и примерно сферическое гало (межзвездный газ, немного звезд и магнитные поля)