Измерение расстояний до галактик: закон Хаббла, темная материя и крупномасштабная структура Вселенной

Наблюдаемая Вселенная содержит по меньшей мере 100 миллиардов галактик, каждая из которых, как правило, включает миллиарды звезд. Большинство этих галактик расположены далеко за пределами Млечного Пути, что затрудняет их детальное изучение. Для измерения расстояний до удаленных галактик астрономы используют стандартные свечи — объекты с известной внутренней яркостью, такие как планетарные туманности или определенные типы сверхновых звезд (например, сверхновые типа Ia). Сравнивая видимую яркость этих объектов с их известной светимостью, можно точно рассчитать расстояние от Земли. Альтернативный метод использует взаимосвязь между скоростью вращения галактики, ее массой и светимостью; скорость вращения может быть измерена даже на больших расстояниях по доплеровскому смещению спектральных линий, что позволяет определить абсолютную яркость и, следовательно, расстояние.

Используя эти методы, ученые определили, что большинство галактик находятся на огромных расстояниях от Земли, часто превышающих 20 мегапарсек (Мпк). Более того, галактики распределены не случайным образом, а демонстрируют крупномасштабный порядок, образуя скопления галактик, сверхскопления и даже более крупные структуры, такие как великие стены и нити. Эти расположения свидетельствуют об иерархической организации материи во всем космосе, что подтверждается данными обзоров глубокого поля, например Hubble Deep Field.

Определение массы удаленных галактик сопряжено со значительными трудностями. Для спиральных галактик, удаленных от Земли примерно на 50 килопарсек (кпк), астрономы измеряют доплеровские сдвиги спиральных рукавов, чтобы определить скорости вращения. Объединение этих данных с расстоянием от центра галактики позволяет применить законы движения Ньютона для вычисления массы галактики. Для более удаленных систем необходимо использовать менее прямые методы, такие как определение систем двойных галактик и применение третьего закона Кеплера к их орбитальному размеру и периоду обращения. Эти подходы показывают, что большинство спиральных и крупных эллиптических галактик содержат приблизительно 10¹¹–10¹² солнечных масс, в то время как неправильные галактики менее массивны и составляют от 10⁸ до 10¹⁰ солнечных масс. Наименее массивными являются карликовые эллиптические галактики, которые, как правило, имеют массу всего 10⁶–10⁷ солнечных масс.

Вращательные свойства спиральных и многих эллиптических галактик указывают на наличие избыточной несветящейся массы, называемой темной материей. По оценкам, масса этого невидимого компонента в отдельных галактиках в 3–10 раз превышает массу видимого вещества (звезд, газа и пыли). Скопления галактик также демонстрируют убедительные доказательства существования темной материи, при этом для расчетов требуется масса, в 10–100 раз превышающая массу их светящихся элементов. Эти результаты приводят к поразительному выводу о том, что примерно 90 процентов Вселенной состоит из темной материи, обнаруживаемой исключительно по ее гравитационным эффектам (например, гравитационное линзирование), а не на какой-либо электромагнитной длине волны.

Рентгеновские наблюдения скоплений галактик показывают интенсивное рентгеновское излучение, исходящее от горячего межгалактического газа внутри скоплений. В некоторых случаях масса этого горячего газа равна массе видимого вещества или даже превышает ее. Тем не менее, масса газа остается существенно меньшей — в 10–100 раз — по сравнению с массой, необходимой для объяснения гравитационных наблюдений, что еще больше подчеркивает доминирование темной материи. Современные космологические модели, такие как модель ΛCDM, предполагают, что темная материя составляет около 27% полной энергетической плотности Вселенной, тогда как обычная материя — лишь около 5%.

Движения галактик демонстрируют интригующие закономерности в различных масштабах. Внутри скоплений отдельные галактики движутся случайным образом, однако сами скопления демонстрируют высокоупорядоченные движения в самых больших наблюдаемых масштабах. В 1912 году американский астроном Весто Слайфер, работавший с Персивалем Лоуэллом (основателем обсерватории Лоуэлла), обнаружил, что каждая спиральная галактика, которую он наблюдал, имеет спектр с красным смещением, указывающим на удаление от Земли. С тех пор это наблюдение было распространено на все известные галактики, которые удаляются от Земли во всех направлениях. Более того, скорость удаления увеличивается с расстоянием: чем дальше находится галактика, тем больше ее красное смещение и тем быстрее она удаляется.

График зависимости скорости удаления (лучевой скорости) от расстояния для многих галактик в пределах примерно 1 миллиарда парсеков от Земли, иллюстрирующий закон Хаббла, согласно которому скорость удаления пропорциональна расстоянию (модифицировано Чейссоном и Макмилланом).

В 1920-х годах Эдвин Хаббл построил график зависимости красного смещения галактик и их расчетных скоростей удаления от расстояния. Он обнаружил прямую зависимость: скорость постоянно увеличивается с увеличением расстояния. Эта пропорциональность известна как закон Хаббла, а общая картина движения галактик друг от друга называется потоком Хаббла. Закон Хаббла дает неоспоримые доказательства того, что Вселенная расширяется. Это расширение является однородным и изотропным в больших масштабах, что соответствует космологическому принципу.

Закон Хаббла выражается в виде:
V = H₀ × D,
где V — скорость удаления, D — расстояние, а H₀ (постоянная Хаббла) — постоянная пропорциональности. На диаграмме скоростей в зависимости от расстояния наклон равен постоянной Хаббла, приблизительно 75 км/с на мегапарсек (46,5 миль/с на 3,3 миллиона световых лет). Однако неопределенность остается; большинство оценок находятся в пределах 60–90 км/с на Мпк (37–56 миль/с на Мпк). Постоянная Хаббла представляет собой наилучшую оценку скорости расширения Вселенной. Современные измерения, проведенные с помощью космического телескопа «Планк», дают значение около 67,4 км/с/Мпк, в то время как измерения по цефеидам и сверхновым дают около 73 км/с/Мпк, что порождает так называемое «напряжение Хаббла» — одно из актуальных противоречий современной космологии.

Закон Хаббла также является бесценным инструментом для измерения расстояний до удаленных объектов. Поскольку скорость удаления пропорциональна расстоянию, измерение красного смещения (следовательно, скорости) позволяет непосредственно оценить расстояние. Этот метод работает даже для очень удаленных объектов, таких как Q051-279 — объект со скоростью удаления, составляющей 93 процента от скорости света, и расстоянием около 4000 мегапарсек (исправлено: в оригинале ошибочно указано «4000 миль в секунду»). Электромагнитное излучение, обнаруженное в настоящее время от объекта Q051-279, было испущено приблизительно 13 миллиардов лет назад, примерно во время Большого взрыва (возраст Вселенной в настоящее время оценивается в 13,73 миллиарда ± 120 миллионов лет). В 2004 году космический телескоп «Хаббл» и гравитационное линзирование (эффект общей теории относительности, при котором массивные объекты на переднем плане искривляют и увеличивают свет фоновых объектов) выявили еще один чрезвычайно удаленный объект. Группа ученых обнаружила небольшую компактную звездную систему диаметром около 2000 световых лет и удаленную от нас на 13 миллиардов световых лет, увеличенную галактическим скоплением Abell 2218. Исходя из возраста Вселенной, свет от этого объекта был испущен, когда космосу было всего 750 миллионов лет.

Используя мощные телескопы и закон Хаббла, астрономы теперь могут составить карту крупномасштабной структуры Вселенной. Космос — это не случайное скопление звезд и галактик, а скорее упорядоченное распределение галактик и скоплений, расположенных в виде цепочек или нитевидных групп (филаментов), разделенных обширными, почти пустыми областями, называемыми пустотами (войдами). Эти нити лежат на поверхности пузырьковых пустот, как будто Вселенная состоит из сети пустых пузырьков, а скопления галактик образуют цепочки вдоль поверхности пузырьков. В областях, где пересекаются многочисленные пузырьки, находятся самые плотные скопления галактик и сверхскопления. Происхождение этой пузырькоподобной структуры остается предметом споров, но считается, что она возникает из-за колебаний плотности или ряби в ранней Вселенной (так называемые первичные возмущения), которые со временем усиливались под действием гравитации по мере расширения Вселенной. Современные численные симуляции, такие как Millennium Simulation, успешно воспроизводят эту ячеистую структуру, согласуясь с наблюдениями Слоановского цифрового обзора неба (SDSS).

Дополнительная информация:
Хаббл, Эдвин П. «Связь расстояния и лучевой скорости среди внегалактических туманностей». Труды Национальной академии наук, 15 (1929): 168–173.
Пиблс, Джеймс. «Космология XX века». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики, 57 (2019): 1–36.
Фридман, Венди Л. и Маддоре, Барри Ф. «Постоянная Хаббла». Ежегодный обзор астрономии и астрофизики, 48 (2010): 673–710.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.