Разширяване на Вселената
📈 През 1912–1917 г. Весто Слайфър в обсерваторията Лоуел измерва на спиралните мъглявини и открива, че почти всички се отдалечават – някои с над . Никой още не знае колко са далеч. През 1927 г. Жорж Льометр съчетава данните на Слайфър с груби разстояния и в малко известно белгийско списание стига до извода, че Вселената се разширява. Две години по-късно Едуин Хъбъл публикува графика – скоростите срещу разстоянията на 24 галактики – и на нея точките лежат приблизително на права. Айнщайн, който дотогава смята Вселената за неизменна, посещава Хъбъл и признава: Вселената не стои на място. През 2018 г. Международният астрономически съюз преименува закона на „закон на Хъбъл–Льометр“.
1. Червеното отместване
на далечните галактики са изместени към по-дълги вълни. При близките галактики това прилича на . Но истинската причина е друга: докато светлината пътува, пространството се разтяга и разтяга заедно с него вълната.
Космологично червено отместване
Пример
Линията Hα (656,3 nm) в спектъра на галактика се наблюдава при 721,9 nm. Колко е ? С колко се е разширила Вселената оттогава?
- : разстоянията са нараснали с 10%, докато светлината е пътувала
2. Законът на Хъбъл–Льометр
Закон на Хъбъл–Льометр
Диаграмата на Хъбъл
Всяка точка е галактика: разстояние и скорост на отдалечаване. Нагласете наклона на правата v = H₀ · d така, че да пасне най-добре.
Хъбъл има само 24 галактики, всичките в нашата околност, и голямо разсейване – някои дори се приближават (Андромеда!), защото собствените движения са сравними с разширението. Наклонът, който получава, е ~420–500 km/s/Mpc – шест-седем пъти повече от днешния, заради грешна калибровка на цефеидите (виж „Променливи звезди“). Така Вселената излиза на 2 млрд. години – по-млада от Земята. Тази криза трае до 50-те години.
Пример
Колко е времето на Хъбъл при ?
- млрд. години
- Удобна формула: млрд. години ( в ).
3. Разширение без център
Законът на Хъбъл има странно следствие: ако разстоянията растат , всяка галактика вижда същата картина. Няма „център“ на разширението и няма ръб. Галактиките не летят през пространството – пространството между тях се разтяга. Самите галактики, звездите и атомите не се разширяват: тях ги държат гравитацията и електромагнитните сили.
Къде е центърът на разширяването?
Галактиките са като стафиди в тесто, което втасва. Щракнете върху произволна галактика, за да „живеете“ на нея: от всяка галактика всички останали се отдалечават – и толкова по-бързо, колкото са по-далеч.
Когато всички разстояния нарастват с един и същ множител a, галактика на двойно разстояние се отдалечава с двойна скорост. Това е точно законът на Хъбъл. Всеки наблюдател вижда същото – затова Вселената няма център. Галактиките не летят през пространството: разтяга се самото пространство между тях, а те стоят на „местата“ си.
По-бързо от светлината? Галактиките на разстояние над се отдалечават по-бързо от светлината. Това не противоречи на теорията на относителността: тя забранява движение през пространството по-бързо от светлината, а тук се разтяга самото пространство. Някои от галактиките, които виждаме днес, никога няма да видим каквито ще бъдат след милиарди години – светлината им вече не може да ни догони.
4. Ускореното разширение
Гравитацията на цялото вещество във Вселената би трябвало да забавя разширението. През 90-те години два екипа – на Сол Пърлмутър и на Брайън Шмит и Адам Рийс – мерят далечни Ia, за да видят колко се е забавило. Резултатът (1998) е шокиращ: далечните свръхнови са по-слаби, значи по-далеч, отколкото трябва. Разширението не се забавя, а се ускорява – вече ~5–6 млрд. години. Причината е наречена тъмна енергия (виж „Тъмна материя“). Нобелова награда 2011.
5. Модели и съдбата на Вселената
През 1922 г. Александър Фридман решава уравненията на Айнщайн за еднородна Вселена. Те показват как скоростта на разширение зависи от съдържанието на Вселената.
Критична плътност
Пример
Пресметнете критичната плътност при .
- Това са ~5,5 протона в кубичен метър. Обикновеното вещество е само 5% от това – по-малко от един атом на 3 кубични метра.
Миналото и бъдещето на Вселената
Кривата показва как растат разстоянията (мащабния фактор a, днес a = 1). Веществото забавя разширението с гравитацията си, а тъмната енергия го ускорява. Изберете колко от всяко има.
Ω е плътността в единици от критичната плътност ρ_c = 3H₀² / (8πG) ≈ 9 · 10⁻²⁷ kg/m³ – около 5 протона в кубичен метър. Вселена само с вещество и Ω > 1 се връща назад и се срутва; при Ω < 1 се разширява вечно. Тъмната енергия променя всичко: в нашата Вселена разширението се забавя първите ~9 млрд. години, а после започва да се ускорява.
Напрежението на Хъбъл. Двата най-точни начина за измерване на не се съгласяват. ( и свръхнови, виж „Разстояния“) дава ~ с точност ~1,5%. заедно с модела ΛCDM дава . Разликата е над 5σ. Или някъде има скрита грешка, или моделът ни на Вселената е непълен – например тъмната енергия се променя с времето, както подсказват и първите резултати на обзора DESI (2024–2025). Това е една от най-горещите загадки на днес.
6. 🎯 Бърз тест
Какво гласи законът на Хъбъл–Льометр?
7. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
8. Обобщение
- ✓ Червено отместване: ; ; при малки :
- ✓ Закон на Хъбъл–Льометр: ; време на Хъбъл млрд. години
- ✓ Разширява се пространството – няма център и ръб
- ✓ Уравнение на Фридман и критична плътност
- ✓ Вселената е плоска:
- ✓ От 1998 г. знаем, че разширението се ускорява – заради тъмната енергия
- ✓ Напрежение на Хъбъл: 73 срещу – още неразрешена загадка
💡Интересен факт
През 1917 г. Айнщайн добавя към уравненията си „космологична константа“ , за да получи неизменна Вселена. Когато научава за разширяването, той я нарича (според Георгий Гамов) „най-голямата грешка в живота си“. Осемдесет години по-късно точно тази константа – днес наричана тъмна енергия – се оказва нужна, за да обясни ускореното разширение. Понякога и грешките на гения са прави.