Астронет: А. Д. Чернин/ГАИШ Темная энергия вблизи нас http://variable-stars.ru/db/msg/1210535/node3.html

<< 1. Введение | Оглавление | 3. Парадокс Хаббла-Сэндиджа >>

2. Глобальное и локальное

Чтобы разобраться в сути дела, обратимся сначала к теории. В теории Фридмана принимается, что мир в целом является однородным, то есть вещество в нем распределено равномерно по всему космическому пространству. Так оно в действительности и есть: исключительной важности космологический факт состоит в том, что галактики, их группы и скопления распределены во Вселенной в среднем равномерно. Если мысленно выделить в объеме Вселенной области с размером в 300-1000 Мпк (и более) и подсчитать в каждой из них число галактик, то это число окажется практически одинаковым для всех таких областей. (Один мегапарсек [Мпк] = миллион парсек, один парсек близок к трем световым годам). Объем поперечником в 300-1000 Мпк, начиная с которого распределение галактик представляется в среднем равномерным, называют ячейкой однородности во Вселенной. Рассматриваемый в таком огромном космологическом масштабе, мир галактик выглядит очень простым - однородным и бесструктурным.

Теория Фридмана относится именно к этим глобальным масштабам и расстояниям в мире. Она говорит нам, что однородный мир не может быть в покое, он должен расширяться, так что все галактики и их системы должны разлетаться в пространстве. При этом скорость взаимного удаления любых космических систем должна быть прямо пропорциональна расстоянию между ними. Этот закон прямой пропорциональности - неизбежное следствие однородности распределения вещества: раз Вселенная однородна, ее расширение неизбежно должно происходить по этому и только этому закону.

А теперь посмотрим на данные наблюдений. Американский астроном Весто Слайфер обнаружил в 1917-25 гг., что туманности (сейчас мы их называем галактиками) не стоят на месте, а движутся, и притом все (кроме самых близких, таких как Туманность Андромеды) удаляются от нас и друг от друга. Движения галактик были обнаружены по спектрам приходящего от них света. Оказалось, что спектральные линии света сдвинуты (по сравнению с их "лабораторным" положением) в сторону больших длин волн, то есть в сторону красного конца спектра. Это ставшее вскоре знаменитым космологическое "красное смещение". Сдвиг спектральных линий в красную сторону возникает всегда, когда расстояние между источником и приемником света возрастает со временем, - таков эффект Допплера, хорошо изученный к тому времени в физике.

Когда Хаббл приступил к изучению этого феномена, в его распоряжении имелись измеренные Слайфером скорости удаления галактик, но расстояния до них не были еще определены. Определение расстояний - труднейшая задача в астрономии. Она гораздо сложнее, чем определение скоростей; так обстоят дела и сейчас, так было и во времена Хаббла. К 1929-му году ему удалось оценить расстояния для трех десятков галактик, и это немедленно привело его к замечательному открытию: оказалось, что скорости удаления галактик пропорциональны расстояниям до них. Этот факт называют с тех пор законом Хаббла. Его записывают так:

Здесь - расстояние до галактики, - скорость ее удаления от нас, а коэффициент пропорциональности называется постоянной Хаббла. Эта величина постоянна в том смысле, что она не зависит ни от расстояния до галактики, ни от направления на нее на небе.

Закон Хаббла был найден по диаграмме скорость-расстояние (см. Рис.1, на котором воспроизведена оригинальная диаграмма 1929 года), где каждая галактика представлена точкой в соответствии с расстоянием до нее (горизонтальная ось) и скоростью удаления от нас (вертикальная ось). Самые большие скорости достигают здесь 10 тысяч километров в секунду (на вертикальной должно быть km/s - у Хаббла опечатка). Самые малые расстояния на диаграмме составляют 0,1-0,2 Мпк, а самые большие - 2 Мпк.

Как позднее (в 1958 г., то есть через 30 лет) выяснил Алан Сэндидж, ученик и некогда сотрудник Хаббла, на самом деле все расстояния на диаграмме раз в десять больше, чем думал Хаббл. Это уже была не опечатка, а ошибка: Хаббл сильно недооценил расстояния до своих галактик. Но к счастью, это была систематическая ошибка, то есть она была одинакова для всех галактик. В результате с ее исправлением закон Хаббла не был отменен, а остался полностью в силе. Так что закон расширения был в действительности обнаружен Хабблом на расстояниях от 1-2 Мпк и до 20 Мпк.

Поразительное согласие прямых астрономических наблюдений с весьма абстрактной (как почти всем поначалу казалось) теорией расширяющейся Вселенной произвело на всех сильное впечатление в 1920-30-е годы. Действительно, не только сам факт расширения, предсказанный теорией Фридмана, но и важнейшая закономерность этого явления - пропорциональность скорости расстоянию - были доказаны в наблюдениях. Не удивительно, что сразу и единодушно было решено: Хаббл открыл то, что и было предсказано теорией Фридмана. Сам Фридман до открытия Хаббла не дожил, он умер в 1925 г. Но все физики и астрономы тех лет, среди них и Эйнштейн, твердо стали на эту точку зрения. А за ними ее приняли и космологи дальнейших поколений (включая и автора этих строк).

Но вспомним, что теория Фридмана - это теория самых больших масштабов, превышающих размер космической ячейки однородности. Наблюдения же Слайфера и Хаббла относятся к малым масштабам, к расстояниям и объемам, лежащим глубоко внутри ячейки однородности: наименьшие расстояния в наблюдениях Хаббла ( Мпк) в 300-1000 раз меньше размера ячейки однородности (300-1000 Мпк). К столь малым масштабам теория Фридмана неприменима: в ближней Вселенной нет однородности. А к глобальной фридмановской космологии наблюдения Хаббла не имеют отношения: расстояния у него слишком малы.

Выходит, что область применимости теории не перекрывается с областью наблюдений. Глобальную теорию и локальные наблюдения сравнивать и сопоставлять нельзя - они говорят о разных вещах.

В действительности наблюдательное подтверждение теории Фридмана пришло не во времена Слайфера и Хаббла, а гораздо позже, 30-40 лет спустя, когда наблюдениям стали доступны расстояния, выходящие за размеры космической ячейки однородности (см. об этом в книге Ю.Н. Ефремова "В глубь Вселенной", УРСС, 2003). И действительно: на глобальных расстояниях, достигающих тысяч мегапарсек, галактики, их группы и скопления на самом деле удаляются от нас и друг от друга и притом по закону прямой пропорциональности скорости расстоянию. Закон Хаббла справедлив не только в малых масштабах, где он был впервые экспериментально обнаружен, но и в самых больших масштабах тоже (рис.2), – в полном соответствии с Фридмановской теорией. На этом новом этапе развития наблюдательной космологии ведущую роль снова сыграл Сэндидж.

Теория однородной расширяющейся Вселенной выдержала проверку не только в наблюдениях далеких галактик, но и в наблюдениях реликтового излучения, которое оказалось однородным по пространству с точностью до тысячных долей процента. Эта поразительная для космологии точность достигнута в наблюдениях 1992-2003 гг. Такова количественная мера глобальной однородности мира, а заодно и указание на то, с какой точностью справедливо предположение, лежащее в основе теории Фридмана. Мир однороден в самых больших масштабах, но это не абсолютная, не идеальная однородность. В реальном мире однородность нарушена, но очень слабо. Так что теория Фридмана - прекрасное первое приближение к глобальной космологической реальности.

С глобальной космологией все ясно и все в порядке. Но как быть с открытием Хаббла? Что оно означает? Каков его настоящий смысл? Чтобы это понять, нужно прежде всего разобраться в том, что же в действительности представляет собой ближняя Вселенная, которую наблюдал Хаббл.

---

<< 1. Введение | Оглавление | 3. Парадокс Хаббла-Сэндиджа >>