Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Параметр Хаббла является одним из наиболее важных космологических параметров. Он необходим при определении расстояний до удаленных объектов (подробнее об этом далее в разделе 2.9), он напрямую связан с возрастом Вселенной и используется для вычисления многих других космологических параметров, таких как плотность вещества. Таким образом, улучшение точности его измерения улучшает также точность определения космологических параметров и, следовательно, ведет к лучшему пониманию свойств Вселенной.

Приведем последние оценки параметра Хаббла, основанные на данных: космического аппарата «Планк» (2013 г.): H0 = (67,80 ± 0,77) (км/с)/Мпк, Слоуновского цифрового обзора неба (2016 г.): H0 = (67,6 ± 0,7) (км/с)/Мпк и космического телескопа «Хаббл» (2016 г.): H0 = (73,00 ± 1,75) (км/с)/Мпк. Эти три оценки различны, они обеспечиваются различными методами и поэтому полностью независимы друг от друга. Некоторые из них могут быть неточными из-за неучтенных систематических ошибок.

2.2.2. Расширение

Разбегание галактик и закон Хаббла означают, что Вселенная расширяется. Как это понимать? Как можно представить себе расширение Вселенной в однородном мире без фиксированного центра? Рассмотрим в качестве примера модель двумерной Вселенной, сделанную из эластичной пленки, с галактиками, прикрепленными к ней. Эта пленка растягивается, увеличивая расстояние между галактиками. Это и будет расширением Вселенной. Обратите внимание, что сами галактики не расширяются вместе с пленкой, потому что на галактическом масштабе доминирует взаимное гравитационное притяжение. Другими словами, нехаббловские движения, т. е. местные мелкомасштабные движения, сильнее глобального хаббловского расширения на космологических масштабах. В результате ближайшие галактики не удаляются друг от друга, но движутся в общей потенциальной яме.

В нашей гравитационной яме находятся галактики Местной группы, которые включают в себя Млечный Путь, галактику Андромеды, галактику Треугольник, оба Магелланова Облака, а также около сотни карликовых галактик. Эти отклонения от общего расширения являются результатом отклонений от однородности Вселенной: средняя плотность материи внутри Местной группы больше, чем в соседних областях Вселенной. Естественно, что нехаббловские движения и отклонения плотности не могут быть описаны в рамках однородной космологии и требуют специального рассмотрения. Но в более крупных масштабах Вселенная довольно однородна и мы можем использовать закон Хаббла и другие выводы, полученные в рамках однородной изотропной космологической модели.

Если пример с двумерной пленкой недостаточно наглядный для вас, можно привести и трехмерные аналоги. Обычно говорят про пудинг или пирог, который увеличивает свои размеры по мере выпекания. Внутри него есть отдельные кусочки начинки, например изюминки или орехи, которые в процессе выпекания удаляются друг от друга, но сохраняют свои размеры. Они играют роль групп и скоплений галактик, а также отдельных изолированных галактик.

Расширение означает увеличение пространственного масштаба Вселенной со временем. Мы пишем «пространственный масштаб», а не «размер Вселенной», поскольку последний термин плохо определен, если Вселенная бесконечна. Для количественной оценки пространственного масштаба вводят так называемый масштабный фактор, который обозначается a. Мы более строго определим его в разделе 2.6.

В действительно однородной Вселенной нет нехаббловских движений, и все расстояния между любыми двумя конкретными точками, привязанными к материи, заполняющей Вселенную, пропорциональны друг другу и растут с той же относительной скоростью. Иными словами, при рассмотрении расстояния между двумя удаленными объектами изменение масштабного фактора описывает, как это расстояние меняется с течением времени.

Постоянная Хаббла может быть выражена через скорость изменения масштабного фактора как относительная скорость этого изменения: H =(da/dt)/a, т. е. абсолютная скорость его изменения, деленная на его величину, измеренную в ту же эпоху. Таким образом, важно не столько значение масштабного фактора a, сколько отношение его величин в различные эпохи, которое мы будем называть относительным масштабным фактором и обозначать u. Из практических соображений в качестве знаменателя этого отношения используется масштабный фактор в современную эпоху: u= a/a0, где a0 – текущее значение масштабного фактора.

Так что все, что нам нужно, чтобы вычислить постоянную Хаббла в зависимости от времени, – это отношение расстояния между любыми достаточно удаленными объектами (которые гравитационно не связаны друг с другом) в разные эпохи к его значению в современную эпоху. Таким образом, эта постоянная может быть вычислена даже без точного определения масштабного фактора. Мы вернемся к дальнейшему обсуждению этого понятия в разделе 2.6.

2.2.3. Красное смещение