Определение расстояний до галактик.

Галактики находятся на очень больших расстояниях от Солнца. Только в ближайших из них можно выделить отдельные звёзды, остальные видны в виде туманных пятен. Поэтому долгое время было невозможно определить расстояния до галактик. Лишь в 20-х годах нынешнего столетия удалось различить знакомые типы звёзд в соседних галактиках и по их характеристикам определить приблизительные расстояния.

В настоящее время существует несколько способов определения расстояний до галактик.

1. Расстояние определяется по изучению объектов хорошо изученных типов, с известной светимостью.

- Например, светимость цефеид определяется по соотношению период - светимость.

- У новых звёзд абсолютная звёздная величина в максимуме блеска около -8^m,5, яркие шаровые скопления имеют абс. зв. величину до -9^m.

Для определения расстояний до такого объекта достаточно найти видимую зв. величину и вычислить модуль расстояния, учтя влияние межзвёздного поглощения света.

2. Расстояния до очень далёких галактик определяются по видимым угловым размерам или видимой звёздной величине. Для этого нужно знать характерные размеры или светимости галактик различных типов. Такие оценки расстояний называются относительными.

3. Расстояния до галактик определяются по величине красного смещения линий в их спектрах. Установлено, что все линии в спектрах далёких галактик заметно смещены в сторону красного конца спектра. Это явление связано с происходящим увеличением средних расстояний между галактиками, которое называется расширением Вселенной. Красное смещение интерпретируется как доплеровское смещение, связанное с удалением галактики от нас.

Из наблюдений было установлено, что скорость удаления V_r, соответствующая красному смещению z = Dl/l, увеличивается в среднем линейно с расстоянием r от галактики:

V_r = c ^. Dl/l = H ^. r.

Эта зависимость носит название закона Хаббла, а коэффициент пропорциональности H - постоянной Хаббла.

Если мы наблюдаем объекты с одинаковой абсолютной звёздной величиной, то с увеличением расстояния r их видимая звёздная величина будет меняться пропорционально 5lgr. Поэтому, если выполняется закон Хаббла, зависимость между lg(Dl/l) и m должна выражаться прямой линией с коэффициентом пропорциональности между этими величинами, равным 5. Такая зависимость действительно наблюдается для наиболее ярких галактик, светимость которых, как оказалось, примерно одинакова.

Зная красное смещение галактик, легко определить, во сколько раз одна из них дальше другой. Но для оценки расстояния до каждой из них необходимо знать величину постоянной Хаббла.

Оказалось, что для сравнительно близких галактик, до которых расстояние удовлетворительно измеряется различными методами, закон Хаббла не всегда выполняется. А для далёких галактик, обладающих большими скоростями V_r, нет достаточно надёжных критериев определения расстояний без помощи красных смещений. Поэтому до сих пор оценки H, проведённые различными авторами, существенно различаются, хотя практически все они заключены в пределах от 50 до 100 км/(с^.Мпс).

Часто используется среднее значение Н = 75 км/(с^.Мпс).

При красных смещениях около 1 закон Хаббла уже не работает, нужно применять более сложные формулы.

В 1995 году была обнаружена самая далёкая от нас галактика 8С 1435+635 в созвездии Дракона. Её красное смещение составляет 4,25. Это смещение соответствует свету, пришедшему из эпохи, когда возраст Вселенной составлял около 7-10% от современного.

25.5 Скопления галактик. Метагалактика.

Большая часть галактик входит в состав скоплений. Сегодня известны тысячи скоплений галактик.

Скопления делятся на правильные и неправильные. Кроме этого деления существуют ещё классификации скоплений по разным параметрам, например, по числу членов с мощным излучением, по наличию ярких галактик в центре, по наличию пекулярных галактик.

Правильные скопления состоят из большого количества галактик (часто более 10⁴ членов), обладая сферической симметрией, большой концентрацией к центру. Яркие члены этих скоплений относятся к типам Е и S0. В центре скопления обычно находится одна или две ярчайшие эллиптические галактики, окружённые гало. Типичный представитель правильных скоплений - скопление в созвездии Волос Вероники. Его размеры около 4 Мпс. Число галактик - несколько десятков тысяч.

Неправильные скопления имеют неправильную форму, в них часто встречаются отдельные сгущения. Состоят эти скопления из галактик всех типов. Они могут иметь много и мало галактик. Примером такого скопления является скопление в Деве. Содержит несколько тысяч галактик, размеры около 3 Мпс.

В некоторых скоплениях обнаружены большие массы горячего ионизованного газа, нагретого до температуры около 10⁸К. Газ излучает в рентгеновском диапазоне. Общая масса газа составляет заметную долю суммарной массы всех галактик скопления.

Важным является вопрос, существуют ли скопления скоплений галактик. На сегодняшний день всё больше фактов свидетелствует о том, что такие скопления существуют. Измерения космического фонового излучения, являющегося остатком от Большого Взрыва, показали 180 градусную ассиметрию, известную как диполь. Она проявляется в нагреве на 0.1% космического фонового излучения по сравнению со средним в одном направлении и в таком же охлаждении в противоположной стороне. Эти измерения были подтверждены исследованиями на спутнике Cosmic Background Explorer в период с 1989 по 1990, свидетельствующими о том, что вся Местная группа движется со скоростью 600 км/с в направлении созвездия Гидра. Это направление было подсчитано после поправки за известные движения: вращение Солнца вокруг центра Галактики и движение нашей Галактики по направлению к Туманности Андромеды.

Этот факт свидетелствует о том, что галактики собираются в группы и скопления, которые в свою очередь составляют сверхскопления, оставляя другие области лишенными галактик. Неоднородно распределенная масса вещества, окружающая Местную группу, может вызвать несбалансированное притяжение, тянущее МГ в одном направлении.

Одна исследовательская группа использовала движения сотен галактик для заключения о существовании Великого Аттрактора находящегося на расстоянии около 60 Мпк. Местная группа по-видимому поймана в космическое состязание между Великим Аттрактором и находящемся на таком же расстоянии сверхскоплении Персей-Печь.

Самые крупномасштабные неоднородности в распределении галактик носят “ячеистый” характер. В “стенках ячеек” много галактик, их скоплений, а внутри - пустота. Размеры ячеек около 100 Мпс, толщина стенок 3-4 Мпс. Большие скопления галактик находятся в узлах этой ячеистой структуры. Отдельные фрагменты ячеистой структуры иногда называют сверхскоплениями. Сверхскопления часто имеют сильно вытянутую форму, наподобие нитей.

Понятие “Метагалактика” не является вполне ясным. Системы, содержащие различные скопления галактик непосредственно не наблюдаются. Тем не менее есть основания предполагать, что Метагалактика существует, относительно автономна и является объединением галактик такого порядка, каким для звёзд является Галактика. Реальность Метагалактики будет доказана, если удастся определить её границы и выделить наблюдаемые объекты, не принадлежащие ей. В связи с гипотетичностью представлений о Метагалактике, как об автономной гигантской системе галактик, включающей все наблюдаемые галактики и их скопления, термин “Метагалактика” стал чаще применяться для обозначения обозреваемой части Вселенной.

25.6 Проблема темного вещества.

Очень важным для космологии является вопрос о том, всё ли вещество Метагалактики наблюдается с помощью современных приёмников излучения.

От средней плотности вещества во Вселенной зависит её будущее. Если плотность больше некоторого критического значения, то расширение Вселенной сменится сжатием. Если меньше, то расширение будет происходить бесконечно.

Значение критической плотности легко вычислить. Известно, что вторая космическая скорость для шара массы М записывается следующим образом:

v = Ö(2GM/R).

В это выражение подставляем значения массы М=4rpR³/3 и для скорости v=HR.

Находим плотность:

r = 3H²/8pG.

Критическое значение средней плотности во Вселенной зависит от постоянной Хаббла. При значении Н = 75 км/с^.Мпс получаем r = 10^-29г/см³.

Достаточно легко учесть наблюдаемое вещество, входящее в видимые галактики. Голландский астроном Оорт в 1958 году провёл посвящённое этому исследование. Он определил среднюю плотность вещества во Вселенной.

r = 4,6 ^. 10^-9 М_сол/nc³ = 3 ^. 10^-31 г/см³.

Эта величина заметно меньше критической плотности. Их соотношение равно 0,03.

Если во Вселенной нет заметных количеств другой материи, усреднённая плотность которой много больше средней галактической плотности, то вселенная будет расширяться.

Однако, есть основания подозревать, что в пространстве между галактиками может быть много трудно наблюдаемых форм материи, получивших название “скрытой массы”.

Одним из поводов для такого подозрения являются результаты измерений масс скоплений галактик. Измерения проводились следующим образом.

Правильные скопления имеют симметричную форму, плотность галактик в них плавно спадает от центра к краю и поэтому есть все основания считать, что скопления находятся в равновесном состоянии, когда кинетическая энергия движений галактик, уравновешена силой взаимного тяготения всех масс, входящих в скопление.

В этом случае справедлива теорема вириала, утверждающая, что кинетическая энергия всех членов скопления равна по абсолютной величине половине потенциальной энергии тяготения масс скопления (включая и невидимые массы). Эта теорема позволяет вычислить полную массу скопления, если известны относительные скорости галактик в скоплении и размер скопления. Относительная скорость галактик в скоплении вычисляется по разности их красных смещений, а размер определяется по угловому размеру скопления на небе и расстоянию от нас.

Такое определение, выполненное для скопления в созвездии Волос Вероники приводит к массе около 2^.10¹⁵ М_сол. Это соответствует отношению масса-светимость для всего скопления M/L= 150M_сол/L_сол .

Полученное отношение во много раз больше, чем значение для эллиптических галактик. Если эти выводы правильны, то масса скопления много больше суммы масс галактик, в неё входящих.

По современным подсчётам скрытая масса составляет около 90% всей массы Вселенной.

Роль скрытой массы может играть межгалактический газ, так как он занимает огромные пространства между галактиками.

Кроме того, галактики могут быть окружены огромными массивными коронами слабо светящихся объектов, которые по их свечению обнаружить крайне трудно. Это могут быть звёзды низкой светимости. Правда, в 1995 году были опубликованы исследования Института Передовых исследований (США), где приведены результаты поисков красных карликов в нашей Галактике. Подсчёт этих объектов с помощью Космического Телескопа показал, что звёзды с массой 0,1 массы Солнца составляют не более 6% от массы гало Галактики и не более 15% от массы её диска.

Последние предположения указывают, что скрытая масса может содержаться в карликовых галактиках. Группа учёных из Калифорнийского университета, используя 10-метровый телескоп на Гавайских о-вах изучали движения звёзд в карликовой галактике Лев II. Эта галактика является спутником нашей Галактики и находится на расстоянии 720 000 световых лет. У звёзд галактики оказались слишком большие скорости. Наблюдаемой материи этой галактики недостаточно, чтобы объяснить такие стремительные движения. Для этого нужно массу вещества увеличить в 7 раз.

Скрытая масса может содержаться также в излучении. Космические лучи, нейтрино, гравитационные волны могут существенно влиять на оценку общей массы Вселенной.

Наблюдения показывают, что плотность массы, соответствующей космическим лучам очень мала. С нейтрино дело обстоит сложнее, так как эти частицы почти не взаимодействуют с обычным веществом. Если масса покоя нейтрино не равна нулю, то масса Вселенной значительно повысится.

Исследования Космическим телескопом им. Хаббла скопления галактик Abell 2218 в созвездии Дракона, удалённом на 1,5 млрд св. лет, привели к открытию светящихся дуг непонятного происхождения. Оказалось, что это гравитационные линзы, образованные скрытой массой скопления.

Исследования П.Сакером спиральной галактики NGC 5907 позволили обнаружить избыточное свечение, уходящее на 3+7 кпс. Оно имеет форму гало и охватывает всю галактику. По последним гипотезам эта светящаяся оболочка может выявить невидимую тёмную материю вне спиральных рукавов.

Наиболее вероятное значение плотности наблюдаемой Вселенной на сегодняшний день приблизительно заключено в пределах 0,1 - 1 критической плотности.

26. Элементы космологии и космогонии.

26.1 Красное смещение в спектрах галактик.

В 1929 году Эдвин Хаббл сообщил об открытии фундаментальной закономерности. Он обнаружил, что все линии в спектрах далёких галактик заметно смещены в сторону красного конца спектра. Так как наша Галактика не может иметь никакого преимущественного положения во Вселенной, наблюдаемое разбегание галактик есть выражение взаимного удаления всех галактик друг от друга.

Это явление связано с происходящим увеличением средних расстояний между галактиками, которое называется расширением Вселенной.

Из наблюдений было установлено, что скорость удаления V_r, соответствующая красному смещению z = Dl/l, увеличивается в среднем линейно с расстоянием r от галактики:

V_r = c ^. Dl/l = H ^. r.

Эта зависимость носит название закона Хаббла, а коэффициент пропорциональности H - постоянной Хаббла.

С принятыми значениями H наблюдающимся скоростям 110 000 км/сек далёких галактик соответствуют расстояния свыше 1 000 Мпс или около 3 млрд световых лет.

Нужно понимать, что закон c ^. Dl/l = H ^. r абсолютно верен, так как был многократно проверен наблюдениями. Соотношение же V_r = H ^. r верно только при допущении, что смещение спектральных линий вызывается эффектом Доплера, чего наблюдениями доказать нельзя. Можно лишь судить о большей или меньшей степени достоверности этого утверждения.

Если бы наблюдаемый мир образовался в результате грандиозного взрыва и галактики формировались из материи, разбросанной взрывом, то те из них, которые зародились в частях материи, получивших в момент взрыва большую скорость, должны были бы к настоящему моменту улететь дальше, в полном согласии с законом Хабла.

Принятие закона Хабла должно привести к выводу, что все галактики вылетели одновременно, но с разными скоростями из некоторого сравнительно малого объёма.

Существует несколько альтернативных объяснений красного смещения, минуя эффект Доплера.

1. Гипотеза “старения кванта” основана на допущении, что фотоны при своём движении в пространстве теряют часть энергии, которая в них заключена. Утверждается, что таков закон движения фотона в пространстве. Энергия фотона пропорциональна частоте, т.е. обратно пропорциональна длине волны излучения. По мере того, как фотон путешествует в пространстве, длина волны излучения становится всё больше и весь спектр далёкого объекта оказывается смещённым в красную сторону. Величина смещения пропорциональна расстоянию. На малых расстояниях эффект старения кванта незначителен и его нельзя обнаружить из наблюдений, поэтому он сказывается только в спектрах далёких галактик.

2. Потеря энергии фотоном не есть просто закон его движения, а вызывается взаимодействием с другими фотонами излучения, заполняющими пространство Метагалактики и движущимися по всевозможным направлениям. Чем больший путь проходит фотон, тем в среднем больше взаимодействий он испытывает, тем больше будет красное смещение галактики.

Слабость этих гипотез состоит в том, что они требуют отказа от закона сохранения энергии. Если старение кванта есть просто закон его движения, то энергия теряется, не передаваясь ничему. Если же фотон теряет часть энергии, передавая её какой-то среде, другим фотонам или вообще каким-либо частицам, то всякая такая передача энергии должна быть связана с возможностью изменения направления полёта фотона. Фотоны, прошедшие большой путь должны заметно изменить направление своего движения в пространстве. Вследствие этого изображения далёких галактик должны быть размытыми, и чем дальше галактика, тем степень размытости её изображения должна быть больше. Но наблюдения показывают, что очертания очень далёких галактик также ясны, как и близких.

В настоящее время гипотезы старения квантов не находят сторонников.

Зная красное смещение галактик, легко определить, во сколько раз одна из них дальше другой. Но для оценки расстояния до каждой из них необходимо знать величину постоянной Хаббла.

Оказалось, что для сравнительно близких галактик, до которых расстояние удовлетворительно измеряется различными методами, закон Хаббла не всегда выполняется. А для далёких галактик, обладающих большими скоростями V_r, нет достаточно надёжных критериев определения расстояний без помощи красных смещений. Поэтому до сих пор оценки H, проведённые различными авторами, существенно различаются, хотя практически все они заключены в пределах от 50 до 100 км/(с^.Мпс).

Часто используется среднее значение Н = 75 км/(с^.Мпс).

Первоначальное значение, определённое Хабблом было 540 км/(с^.Мпс).

При красных смещениях около 1 закон Хаббла уже не работает, нужно применять более сложные формулы из специальной теории относительности.

V = c ^. (z² + 2z)/( z² + 2z + 2),

где z = Dl/l.

Для очень далёких галактик с большим красным смещением эта формула тоже неприменима. Она не учитывает влияние тяготения на изменение частоты световых волн.

26.2 "Горячая Вселенная". Современные представления о строении и эволюции Вселенной.

Признание того, что красное смещение в спектрах вызвано эффектом Доплера приводит к выводу, что масса вещества, содержащаяся в галактиках находилась ранее в одном месте и была выброшена в пространство в результате взрыва.

До начала 20-х гг. XX века учёные были уверены, что Вселенная стационарна и ограничивается нашей Галактикой.

А.Эйнштейн рассматривал модель Вселенной однородной, изотропной и статичной. Такая Вселенная не получалась в результате решения уравнений теории относительности. Тогда Эйнштейн изменил уравнения, предположив, что в природе существует ещё один, новый тип сил. Так в уравнениях появился новый l - член, наличие которого означало, что между любыми двумя данными массами во Вселенной действует сила отталкивания, пропорциональная расстоянию между ними.

Величину этой силы характеризует l - член. Его можно выбрать очень малым, чтобы в пределах Солнечной системы силы отталкивания были ничтожно малы по сравнению с силами притяжения. Но в масштабах Вселенной его наличие сказывается значительно.

В 1917 году Виллем де Ситтер предложил на базе уравнений Эйнштейна другую модель Вселенной. Эта модель описывала пустую Вселенную, однородную, изотропную, но не статическую.

В 1924 году Александр Фридман показал, что можно получить решения первоначальных уравнений Эйнштейна, описывающие заполненную материей однородную и изотропную Вселенную. Модели де Ситтера, Фридмана и Леметра предполагают расширение Вселенной.

Развитие наблюдательной астрономии привело к открытию далёких галактик, не являющихся объектами нашей Галактики. В 1929 году был открыт закон Хабла и в начале 30-х годов теоретики создали новую модель Вселенной, описывающуюся уравнениями Эйнштейна и получившую наблюдательное подтверждение.

Эта Вселенная оказалась расширяющейся и возникшей в результате Большого Взрыва первоначального вещества. Бесконечно сжатое вещество Вселенной до Большого Взрыва называют сингулярностью.

Наблюдения Вселенной приводят к важным выводам о том, что она однородна и изотропна. Однородность означает одинаковость всех свойств материи всюду в пространстве, а изотропия - одинаковость их в любом направлении. Однородность говорит об отсутствии выделенных областей пространства, а изотропия означает отсутствие выделенного направления.

Однородность подтверждается тем, что средняя плотность вещества одинакова для достаточно больших объёмов пространства во Вселенной. Размеры областей, в пределах которых среднюю плотность вещества можно считать одинаковой, гораздо меньше Метагалактики, но они велики по сравнению с масштабами местных неоднородностей, связанных с существованием галактик и их скоплений.

Изотропия подтверждается одинаковостью разбегания гадактик по всем направлениям. Предположения об однородности и изотропии Вселенной называют космологическим принципом.

В 1965 году было сделано открытие, подтвердившее предположение об изотропии и однородности Вселенной. Случайно было обнаружено слабое фоновое радиоизлучение с интенсивностью, одинаковой по всем направлениям. Согласно современным наблюдениям это излучение изотропно с точностью до нескольких десятых долей процента. По распределению энергии в спектре оно оказалось тепловым и соответствует температуре 3К.

При такой температуре максимум излучения приходится на диапазон спектра около 1 мм. В настоящее время неизвестны объекты Вселенной, которые бы могли давать такое излучение. На этом основании излучение было отождествлено с излучением Вселенной, сохранившимся с тех времён, когда плотность вещества была очень велика и Среда была сильно непрозрачной. Со временем, в результате расширения вещество охладилось, перешло из ионизованной в нейтральную фазу, стало непрозрачным. Не поглощаясь более средой, излучение как бы “оторвалось” от вещества и сохранилось до нашего времени. Расчёты показывают, что прозрачность вещества должна была наступить при плотности порядка 10^-20 г/см³, т.е. в миллиард раз превышающую современную. В эту эпоху расстояния во Вселенной были в 1000 раз меньше, во столько же раз была меньше и длина волны. Поэтому кванты, имеющие сейчас длину волны 1 мм, ранее имели длину 1 мкм, что соответствует максимуму излучения по закону Планка при температуре 3000 - 4000 К.

Таким образом, существование реликтового излучения является не только указанием на большую плотность Вселенной, но и на её высокую температуру. Вселенная ранее была более горячей.

Свыше 10 млрд лет назад Вселенная находилась в плотном и горячем состоянии. Можно указать момент, когда она начала расширяться из некоторого сверхплотного состояния.

Расширение Вселенной нельзя рассматривать как расширение сверхплотной вначале материи в окружающую пустоту, ибо окружающей пустоты не было. Вселенная - это всё существующее. Вещество Вселенной с самого начала однородно заполняло всё безграничное пространство. И хотя давление было огромным, оно не создавало расширяющей силы, так как везде было одинаковым. Причины начала расширения Вселенной связаны с квантовыми эффектами, возникающими в поле тяготения при огромных плотностях материи.

Различные теоретики построили многочисленные модели Вселенной, которые расширяются анизотропно на ранних стадиях, затем расширение приближается к закону Хаббла, так что по наблюдениям расширения в наше время эти модели не отличимы от модели Фридмана. Однако, современная космология создала модели Вселенной, сильно отличающиеся от фридмановских.

Для определения того, как происходило расширение вблизи сингулярности, какие протекали процессы, нужно провести расчёты при разных предположениях о расширении, о состоянии и составе вещества Вселенной и сравнить результаты расчётов с наблюдениями. Это позволит определить, какие из предположений истинны и восстановить картину далёкого прошлого Вселенной.

Решение Фридмана, продолженное в прошлое, формально даёт состояние бесконечной плотности вещества. При сверхвысокой плотности вещества перестаёт работать ОТО. Современная квантовая теория предсказывает возникновение квантовых эффектов тяготения вблизи сингулярности. Теория тяготения Эйнштейна - неквантовая теория, поэтому она не может описывать эффекты, связанные с квантованием в масштабах всей Вселенной. Теория размерностей позволяет приближённо оценить параметры, где существенен тот или иной процесс, даже тогда, когда неизвестна детальная теория процесса.

Нужно установить радиус кривизны пространства-времени, при котором существенны следующие явления: тяготение, кванты, релятивизм. Роль тяготения описывается гравитационной постоянной G, роль квантов - постоянной Планка h, роль релятивизма - скоростью света c. Нас интересует радиус кривизны, величина, имеющая размерность длины, при которой существенны все три рода явлений. По теории размерностей получим:

r_n = Ö( Gh/c³) = 10^-33 см.

Это расстояние называют планковской длиной.

Можно вычислить, в какой момент времени после начала расширения Вселенной радиус кривизны был равен r_n и какая была при этом плотность физической материи.

t_n = r_n /c = 10^-43 c.

r_n = 10⁹³ г/см³.

Для состояния вещества с такими характеристиками нужно строить новую теорию. Общие законы физики надёжно проверены при плотностях, не превышающих ядерную r_яд = 10¹⁴ г/см³.

В ранню эпоху, называемую планковской, должны возникать кванты гравитационного поля - гравитоны.

Первые мгновения существования Вселенной очень загадочны. Возможно, что четыре фундаментальные силы природы были вначале слиты воедино. Однако, спустя 10^-44 секунды после начала расширения ОТО становится применимой.