Lielajiem pagātnes fiziķiem I.Ņūtonam un A.Einšteinam Visums šķita statisks. Padomju fiziķis A. Frīdmens 1924. gadā nāca klajā ar galaktiku “izkliedēšanas” teoriju. Frīdmens prognozēja Visuma paplašināšanos. Šī bija revolucionāra revolūcija mūsu pasaules fiziskajā izpratnē.

Amerikāņu astronoms Edvīns Habls izpētīja Andromedas miglāju. Līdz 1923. gadam viņš varēja redzēt, ka tās nomalē ir atsevišķu zvaigžņu kopas. Habls aprēķināja attālumu līdz miglājam. Izrādījās, ka tas ir 900 000 gaismas gadu (precīzāk aprēķinātais attālums šodien ir 2,3 miljoni gaismas gadu). Tas ir, miglājs atrodas tālu aiz Piena Ceļa – Mūsu galaktikas. Pēc šī un citu miglāju novērošanas Habls nonāca pie secinājuma par Visuma uzbūvi.

Visums sastāv no milzīgu zvaigžņu kopu kolekcijas - galaktikas.

Tie ir tie, kas mums šķiet kā tālu miglaini “mākoņi” debesīs, jo mēs vienkārši nevaram redzēt atsevišķas zvaigznes tik lielā attālumā.

E. Habls iegūtajos datos pamanīja būtisku aspektu, ko astronomi bija novērojuši jau iepriekš, taču bija grūti interpretējami. Proti: novērotais spektrālo gaismas viļņu garums, ko izstaro tālu galaktiku atomi, ir nedaudz lielāks par spektrālo viļņu garumu, ko izstaro tie paši atomi sauszemes laboratorijās. Tas nozīmē, ka blakus esošo galaktiku starojuma spektrā gaismas kvants, ko izstaro atoms, kad elektrons lec no orbītas uz orbītu, tiek novirzīts frekvencē uz spektra sarkano daļu, salīdzinot ar līdzīgu kvantu, ko izstaro tas pats atoms uz Zemes. . Habls atļāvās interpretēt šo novērojumu kā Doplera efekta izpausmi.

Visas novērotās blakus esošās galaktikas attālinās no Zemes, jo gandrīz visiem galaktikas objektiem ārpus Piena ceļa ir sarkanā spektrālā nobīde, kas ir proporcionāla to noņemšanas ātrumam.

Vissvarīgākais ir tas, ka Habls spēja salīdzināt attāluma mērījumu rezultātus līdz kaimiņu galaktikām ar to lejupslīdes ātruma mērījumiem (pamatojoties uz sarkano nobīdi).

Matemātiski likums ir formulēts ļoti vienkārši:

kur v ir ātrums, ar kādu galaktika attālinās no mums,

r ir attālums līdz tam,

H ir Habla konstante.

Un, lai gan Habls sākotnēji nonāca pie šī likuma, novērojot tikai dažas mums vistuvākās galaktikas, neviena no daudzajām jaunajām redzamā Visuma galaktikām, kas kopš tā laika ir atklātas un arvien attālinās no Piena ceļa, neietilpst ārpus galaktikas. šī likuma darbības jomu.

Tātad Habla likuma galvenās sekas:

Visums paplašinās.

Pats pasaules telpas audums paplašinās. Visi novērotāji (un jūs un es neesam izņēmums) uzskata sevi par Visuma centrā.

4. Lielā sprādziena teorija

No eksperimentālā galaktiku lejupslīdes fakta tika aprēķināts Visuma vecums. Tas izrādījās vienāds - apmēram 15 miljardi gadu! Tā sākās modernās kosmoloģijas laikmets.

Protams, rodas jautājums: kas notika sākumā? Zinātniekiem bija nepieciešami tikai aptuveni 20 gadi, lai pilnībā mainītu savu izpratni par Visumu.

Atbildi piedāvāja izcilais fiziķis G. Gamovs (1904 - 1968) 40. gados. Mūsu pasaules vēsture sākās ar Lielo sprādzienu. Tieši tā šodien domā lielākā daļa astrofiziķu.

Lielais sprādziens ir ļoti mazā Visuma tilpumā koncentrētas vielas sākotnēji milzīgā blīvuma, temperatūras un spiediena straujš kritums. Visa Visuma matērija tika saspiesta blīvā protomatērijas gabalā, kas bija ļoti mazā tilpumā, salīdzinot ar pašreizējo Visuma mērogu.

Ideju par Visumu, kas dzimusi no īpaši blīvas superkarstas vielas kopas un kopš tā laika izplešas un atdziest, sauc par Lielā sprādziena teoriju.

Mūsdienās nav veiksmīgāka Visuma izcelsmes un evolūcijas kosmoloģiskā modeļa.

Saskaņā ar Lielā sprādziena teoriju agrīnais Visums sastāvēja no fotoniem, elektroniem un citām daļiņām. Fotoni pastāvīgi mijiedarbojās ar citām daļiņām. Paplašinoties Visumam, tas atdzisa, un noteiktā stadijā elektroni sāka apvienoties ar ūdeņraža un hēlija kodoliem un veidoja atomus. Tas notika aptuveni 3000 K temperatūrā un aptuvenajā Visuma vecumā 400 000 gadu. No šī brīža fotoni varēja brīvi pārvietoties telpā, praktiski bez mijiedarbības ar matēriju. Bet mums joprojām ir šī laikmeta "liecinieki" - reliktie fotoni. Tiek uzskatīts, ka kosmiskais mikroviļņu fona starojums ir saglabājies no Visuma pastāvēšanas sākuma stadijām un vienmērīgi piepilda to. Radiācijas tālākas dzesēšanas rezultātā tā temperatūra pazeminājās un tagad ir aptuveni 3 K.

Kosmiskā mikroviļņu fona starojuma esamība tika prognozēta teorētiski Lielā sprādziena teorijas ietvaros. Tas tiek uzskatīts par vienu no galvenajiem Lielā sprādziena teorijas apstiprinājumiem.

Nākamais matērijas organizācijas posms Visumā ir galaktikas. Tipisks piemērs ir mūsu galaktika, Piena ceļš. Tas satur apmēram 10 11 zvaigznes un ir veidots kā plāns disks ar sabiezējumu centrā.
Attēlā 39. attēlā shematiski parādīta mūsu Piena Ceļa galaktikas struktūra un norādīts Saules stāvoklis vienā no galaktikas spirālveida atzariem.

Rīsi. 39. Piena Ceļa galaktikas uzbūve.

Attēlā 40. attēlā parādīta mūsu galaktikas 16 tuvāko kaimiņu projekcija plaknē.

Rīsi. 40. 16 mūsu galaktikas tuvākie kaimiņi, projicēti uz plaknes. LMC un MMC – lielie un mazie Magelāna mākoņi

Zvaigznes galaktikās ir sadalītas nevienmērīgi.
Galaktiku izmēri svārstās no 15 līdz 800 tūkstošiem gaismas gadu. Galaktiku masa svārstās no 10 7 līdz 10 12 Saules masām. Lielākā daļa zvaigžņu un aukstās gāzes ir koncentrētas galaktikās. Zvaigznes galaktikās satur kopā galaktikas un tumšās matērijas gravitācijas lauks.
Mūsu Piena Ceļa galaktika ir tipiska spirālveida sistēma. Zvaigznēm galaktikā kopā ar vispārējo galaktiku rotāciju ir arī savs ātrums attiecībā pret galaktiku. Saules orbitālais ātrums mūsu galaktikā ir 230 km/s. Saules ātrums attiecībā pret galaktiku ir
20 km/s.

Galaktiku pasaules atklājums pieder E. Hablam. 1923.–1924. gadā, novērojot atsevišķos miglājos izvietoto cefeīdu spilgtuma izmaiņas, viņš parādīja, ka viņa atklātie miglāji ir galaktikas, kas atrodas ārpus mūsu galaktikas – Piena Ceļa. Jo īpaši viņš atklāja, ka Andromedas miglājs ir cita zvaigžņu sistēma - galaktika, kas neietilpst mūsu Piena Ceļa galaktikā. Andromedas miglājs ir spirālveida galaktika, kas atrodas 520 kpc attālumā. Andromedas miglāja šķērseniskais izmērs ir 50 kpc.
Pētot atsevišķu galaktiku radiālos ātrumus, Habls veica ievērojamu atklājumu:

H = 73,8 ± 2,4 km sek -1 megaparsek -1 — Habla parametrs.

Rīsi. 41. Sākotnējais Habla grafiks no 1929. gada darba.

Rīsi. 42.Galaktiku noņemšanas ātrums atkarībā no attāluma līdz Zemei.

Attēlā 42 koordinātu sākumpunktā kvadrāts parāda galaktiku ātrumu apgabalu un attālumus līdz tiem, uz kuru pamata E. Habla atvasināja sakarību (9).
Habla atklājumam bija aizmugures stāsts. 1914. gadā astronoms V. Slifers parādīja, ka Andromedas miglājs un vairāki citi miglāji pārvietojas attiecībā pret Saules sistēmu ar ātrumu aptuveni 1000 km/h. E. Hablam, strādājot pie pasaulē lielākā teleskopa ar galveno spoguli ar diametru 2,5 m Mauntvilsona observatorijā Kalifornijā (ASV), pirmo reizi izdevās izšķirt atsevišķas zvaigznes Andromedas miglājā. Starp šīm zvaigznēm bija cefeīdu zvaigznes, kurām ir zināma saistība starp spožuma izmaiņu periodu un spilgtumu.
Zinot zvaigznes spožumu un zvaigznes ātrumu, E. Habls ieguva zvaigžņu izņemšanas ātruma atkarību no Saules sistēmas atkarībā no attāluma. Attēlā 41. attēlā parādīts grafiks no E. Habla oriģinālā darba.

Rīsi. 43. Habla kosmiskais teleskops

Doplera efekts Doplera efekts ir uztvērēja reģistrētās frekvences izmaiņas, kad avots vai uztvērējs pārvietojas. Ja kustīgs avots izstaro gaismu ar frekvenci ω 0, tad uztvērēja reģistrēto gaismas frekvenci nosaka sakarība c ir gaismas ātrums vakuumā, v ir starojuma avota kustības ātrums attiecībā pret starojuma uztvērēju, θ ir leņķis starp virzienu uz avotu un ātruma vektoru uztvērēja atskaites rāmī. θ = 0 atbilst avota radiālajam attālumam no uztvērēja, θ = π atbilst avota radiālajai pieejai uztvērējam.

Debess objektu - zvaigžņu, galaktiku - radiālo kustības ātrumu nosaka, mērot spektra līniju frekvences izmaiņas. Radiācijas avotam attālinoties no novērotāja, viļņu garumi mainās uz garākiem viļņu garumiem (sarkanā nobīde). Kad starojuma avots tuvojas novērotājam, viļņu garumi mainās uz īsākiem viļņu garumiem (zilā nobīde). Palielinot spektrālās līnijas sadalījuma platumu, var noteikt izstarojošā objekta temperatūru.
Habls sadalīja galaktikas pēc izskata trīs lielās klasēs:

elipsveida (E),

spirāle (S),

neregulārs (Ir).

Rīsi. 44.Galaktiku veidi (spirālveida, eliptiskas, neregulāras).

Spirālveida galaktiku raksturīga iezīme ir spirālveida zari, kas stiepjas no centra visā zvaigznes diskā.
Eliptiskas galaktikas ir eliptiskas formas bezstruktūras sistēmas.
Neregulārām galaktikām ir ārēji haotiska, saburzīta struktūra, un tām nav īpašas formas.
Šī galaktiku klasifikācija atspoguļo ne tikai to ārējās formas, bet arī tajās esošo zvaigžņu īpašības.
Eliptiskās galaktikas galvenokārt sastāv no vecām zvaigznēm. Neregulārajās galaktikās galvenais starojuma ieguldījums ir zvaigznēm, kas jaunākas par Sauli. Spirālveida galaktikās ir sastopamas visu vecumu zvaigznes. Tādējādi galaktiku izskata atšķirību nosaka to evolūcijas raksturs. Eliptiskajās galaktikās zvaigžņu veidošanās praktiski beidzās pirms miljardiem gadu. Spirālveida galaktikās zvaigžņu veidošanās turpinās. Neregulārajās galaktikās zvaigžņu veidošanās notiek tikpat intensīvi kā pirms miljardiem gadu. Gandrīz visas zvaigznes ir koncentrētas plašā diskā, kura lielākā daļa ir starpzvaigžņu gāze.
19. tabulā parādīts relatīvs šo trīs galaktiku veidu salīdzinājums un to īpašību salīdzinājums, pamatojoties uz E. Habla analīzi.

19. tabula

Galvenie galaktiku veidi un to īpašības (pēc E. Habla)
Spirāle	Eliptisks	Neregulāri
Procenti Visumā
Forma un struktūras īpašības
Plakans zvaigžņu un gāzes disks ar spirālveida zariem, kas sabiezē virzienā uz centru. Vecāku zvaigžņu kodols un aptuveni sfērisks oreols (starpzvaigžņu gāze, dažas zvaigznes un magnētiskie lauki)

Tu sēdi, stāvi vai guli lasot šo rakstu un nejūti, ka Zeme ap savu asi griežas milzīgā ātrumā – pie ekvatora aptuveni 1700 km/h. Taču, pārrēķinot km/s, griešanās ātrums nešķiet tik ātrs. Rezultāts ir 0,5 km/s - radara tikko manāms sitiens, salīdzinot ar citiem ātrumiem mums apkārt.

Tāpat kā citas Saules sistēmas planētas, Zeme griežas ap Sauli. Un, lai noturētos savā orbītā, tas pārvietojas ar ātrumu 30 km/s. Venera un Merkurs, kas atrodas tuvāk Saulei, pārvietojas ātrāk, Marss, kura orbīta iet aiz Zemes orbītas, kustas daudz lēnāk.

Bet pat Saule nestāv vienā vietā. Mūsu Piena Ceļa galaktika ir milzīga, masīva un arī mobila! Visas zvaigznes, planētas, gāzes mākoņi, putekļu daļiņas, melnie caurumi, tumšā viela - tas viss pārvietojas attiecībā pret kopējo masas centru.

Pēc zinātnieku domām, Saule atrodas 25 000 gaismas gadu attālumā no mūsu galaktikas centra un pārvietojas pa eliptisku orbītu, veicot pilnu apgriezienu ik pēc 220–250 miljoniem gadu. Izrādās, Saules ātrums ir aptuveni 200–220 km/s, kas ir simtiem reižu lielāks par Zemes ātrumu ap savu asi un desmitiem reižu par tās kustības ātrumu ap Sauli. Šādi izskatās mūsu Saules sistēmas kustība.

Vai galaktika ir nekustīga? Ne atkal. Milzu kosmosa objektiem ir liela masa, un tāpēc tie rada spēcīgus gravitācijas laukus. Dodiet Visumam kādu laiku (un tas mums ir bijis aptuveni 13,8 miljardus gadu), un viss sāks virzīties lielākās gravitācijas virzienā. Tieši tāpēc Visums nav viendabīgs, bet sastāv no galaktikām un galaktiku grupām.

Ko tas mums nozīmē?

Tas nozīmē, ka Piena Ceļu uz to velk citas tuvumā esošās galaktikas un galaktiku grupas. Tas nozīmē, ka procesā dominē masīvi objekti. Un tas nozīmē, ka šie “traktori” ietekmē ne tikai mūsu galaktiku, bet arī visus apkārtējos. Tuvojamies izpratnei par to, kas ar mums notiek kosmosā, taču mums joprojām trūkst faktu, piemēram:

• kādi bija sākotnējie apstākļi, kādos sākās Visums;
• kā dažādās masas galaktikā pārvietojas un mainās laika gaitā;
• kā veidojās Piena ceļš un apkārtējās galaktikas un kopas;
• un kā tas notiek tagad.

Tomēr ir kāds triks, kas mums palīdzēs to izdomāt.

Visums ir piepildīts ar reliktu starojumu ar temperatūru 2,725 K, kas ir saglabājies kopš Lielā sprādziena. Šur tur ir nelielas novirzes - apmēram 100 μK, bet kopējais temperatūras fons ir nemainīgs.

Tas ir tāpēc, ka Visumu pirms 13,8 miljardiem gadu veidoja Lielais sprādziens, un tas joprojām paplašinās un atdziest.

380 000 gadu pēc Lielā sprādziena Visums atdzisa līdz tādai temperatūrai, ka kļuva iespējama ūdeņraža atomu veidošanās. Pirms tam fotoni pastāvīgi mijiedarbojās ar citām plazmas daļiņām: tie sadūrās ar tām un apmainījās ar enerģiju. Visumam atdziestot, bija mazāk lādētu daļiņu un vairāk vietas starp tām. Fotoni varēja brīvi pārvietoties kosmosā. CMB starojums ir fotoni, kurus plazma izstaroja uz turpmāko Zemes atrašanās vietu, bet izvairījās no izkliedes, jo rekombinācija jau bija sākusies. Viņi sasniedz Zemi caur Visuma telpu, kas turpina paplašināties.

Jūs pats varat “redzēt” šo starojumu. Traucējumus, kas rodas tukšā TV kanālā, ja izmantojat vienkāršu antenu, kas izskatās pēc truša ausīm, 1% izraisa CMB.

Tomēr reliktā fona temperatūra nav vienāda visos virzienos. Saskaņā ar Planka misijas pētījumu rezultātiem debess sfēras pretējās puslodēs temperatūra nedaudz atšķiras: debess daļās uz dienvidiem no ekliptikas tā ir nedaudz augstāka - aptuveni 2,728 K, bet otrajā pusē - apm. 2,722 K.

Mikroviļņu fona karte, kas izgatavota ar Planka teleskopu.

Šī atšķirība ir gandrīz 100 reizes lielāka nekā citas novērotās temperatūras svārstības CMB, un tā ir maldinoša. Kāpēc tas notiek? Atbilde ir acīmredzama - šī atšķirība nav saistīta ar kosmiskā mikroviļņu fona starojuma svārstībām, tā parādās tāpēc, ka ir kustība!

Kad tuvojaties gaismas avotam vai tas tuvojas jums, spektrālās līnijas avota spektrā nobīdās uz īsiem viļņiem (violetā nobīde), kad jūs attālināties no tā vai tas attālinās no jums, spektrālās līnijas novirzās uz gariem viļņiem (sarkanā nobīde). ).

CMB starojums nevar būt vairāk vai mazāk enerģisks, kas nozīmē, ka mēs pārvietojamies pa kosmosu. Doplera efekts palīdz noteikt, ka mūsu Saules sistēma attiecībā pret CMB pārvietojas ar ātrumu 368 ± 2 km/s, un vietējā galaktiku grupa, tostarp Piena Ceļš, Andromedas galaktika un Trīsstūra galaktika, pārvietojas ar ātrumu 368 ± 2 km/s. ātrums 627 ± 22 km/s attiecībā pret CMB. Tie ir tā sauktie īpatnējie galaktiku ātrumi, kas sasniedz vairākus simtus km/s. Papildus tiem ir arī kosmoloģiskie ātrumi, kas saistīti ar Visuma izplešanos un aprēķināti saskaņā ar Habla likumu.

Pateicoties Lielā sprādziena atlikušajam starojumam, mēs varam novērot, ka Visumā viss pastāvīgi pārvietojas un mainās. Un mūsu galaktika ir tikai daļa no šī procesa.

Apsveriet divas galaktikas, kas atrodas attālumā L viens no otra un ātri attālinās viens no otra V. Kāda ir sarkanās nobīdes vērtība pirmās galaktikas spektrā, ko mēra novērotājs, kas atrodas otrajā galaktikā?

Šķiet, ka atbilde ir acīmredzama. Sarkanās nobīdes vērtība z ir vienāds ar:

Tomēr šāds sarkanās nobīdes lielums būtu sagaidāms stacionārā Visumā. Bet mūsu Visums paplašinās! Vai pats Visuma izplešanās fakts var ietekmēt sarkanās nobīdes vērtību?

Mainīsim problēmas stāvokli. Tagad pieņemsim, ka galaktikas atrodas noteiktā attālumā L viens no otra (piemēram, tie lēnām griežas ap kopīgu masas centru). Vai novērotājs, kas atrodas vienā galaktikā, atklās sarkano nobīdi citas galaktikas spektrā, jo Visums izplešas?

Kad Visums izplešas, tas pārvar gravitācijas pievilcību starp tā daļām. Tāpēc, Visumam izplešoties, tā izplešanās ātrums samazinās. Fotons, kas pārvietojas no vienas galaktikas uz otru, tāpat kā jebkurš objekts Visuma iekšienē, gravitācijas ceļā mijiedarbojas ar izplešanos un tādējādi “palēnina” Visuma izplešanos. Tāpēc fotona enerģijai, kas pārvietojas izplešanās Visumā, jāsamazinās. Veiksim kvantitatīvus aprēķinus.

Kad fotons atstāja vienu galaktiku, gravitācijas potenciāls Visumā, ko radīja visa Visuma matērija, bija vienāds ar F 1. Kad fotons ieradās otrajā galaktikā, gravitācijas potenciāls Visuma iekšienē palielinājās Visuma izplešanās dēļ un kļuva vienāds ar Ф 2 > Ф 1 (vienlaikus | Ф 2 |< | Ф 1 |, так как гравитационный потенциал меньше нуля). То есть фотон, вылетев из области с более низким гравитационным потенциалом, прилетел в область с более высоким гравитационным потенциалом. В результате этого энергия фотона уменьшилась.

Tādējādi sarkanās nobīdes vērtība galaktikas, kas attālinās no mums, emisijas spektrā sastāvēs no divām daļām. Pirmā daļa, ko tieši izraisa galaktiku attālināšanās ātrums, ir tā sauktais Doplera efekts. Tās vērtība ir:

Otro daļu izraisa tas, ka Visums paplašinās, un tāpēc tajā palielinās gravitācijas potenciāls. Tā ir tā sauktā gravitācijas sarkanā nobīde. Tās vērtība ir:

(8.9)

Šeit F 1 ir Visuma gravitācijas potenciāls fotona aiziešanas vietā tā aiziešanas brīdī; Ф 2 – Visuma gravitācijas potenciāls fotonu reģistrācijas vietā, tā reģistrācijas brīdī.

Rezultātā sarkanās nobīdes vērtība galaktikas emisijas spektrā, kas attālinās no mums, būs vienāda ar:

(8.10)

Un mēs nonākam pie ļoti svarīga secinājuma. Tikai daļu no kosmoloģiskās sarkanās nobīdes, kas novērota tālu galaktiku emisijas spektros, izraisa tieši šo galaktiku attālums no mums. Otru sarkanās nobīdes daļu izraisa Visuma gravitācijas potenciāla palielināšanās. Tāpēc ātrums, ar kādu galaktikas attālinās no mums, ir mazāk, nekā tiek pieņemts mūsdienu kosmoloģijā, un attiecīgi Visuma vecums, vairāk.

Veiktie aprēķini parāda, ka, ja Visuma blīvums ir tuvu kritiskajam (šis secinājums izdarīts, pamatojoties uz galaktiku liela mēroga izplatības izpēti), tad:

Tas ir, tikai 2/3 no kosmoloģiskās sarkanās nobīdes vērtības z 0 attālo galaktiku spektros (8.10) izraisa galaktiku attālināšanās ātrums. Attiecīgi Habla konstante ir 1,5 reizes mazāka, nekā pieņemts mūsdienu kosmoloģijā, un Visuma vecums, gluži pretēji, ir 1,5 reizes lielāks.

Kā vispārējā relativitātes teorijā tiek atrisināts jautājums par kosmoloģiskās sarkanās nobīdes izcelsmi? Apskatīsim divas galaktikas, kas piedalās Visuma kosmoloģiskajā izplešanās procesā un kuru savdabīgie ātrumi ir tik mazi, ka tos var neņemt vērā. Lai attālums starp galaktikām brīdī, kad fotons atstāj pirmo galaktiku, ir vienāds ar L. Kad fotons nonāks otrajā galaktikā, attālums starp galaktikām palielināsies un būs vienāds ar L + L D. Vispārējā relativitātes teorijā gravitācijas mijiedarbība ir pilnībā reducēta līdz ģeometrijai. Saskaņā ar šo teoriju vissvarīgākais lielums, kas raksturo izplešanās Visumu, ir tā sauktais mēroga faktors. Ja var neņemt vērā divu viena no otras attālu galaktiku īpatnējos ātrumus, tad mēroga koeficients mainīsies proporcionāli attāluma izmaiņām starp šīm galaktikām.

Saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju fotona viļņa garums l, kas pārvietojas izplešanās Visumā, mainās proporcionāli mēroga koeficienta izmaiņām, un sarkanā nobīde attiecīgi ir vienāda ar:

(8.12)

Ja V- galaktiku ātrums, kas attālinās viena no otras, t ir fotona lidojuma laiks, tad:

Rezultātā mēs iegūstam:

Tātad, saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju, kosmoloģiskā sarkanā nobīde nav atkarīga ne no Visuma blīvuma, ne no ātruma, ar kādu mainās Visuma gravitācijas potenciāls, bet gan ir atkarīga tikai par galaktiku lejupslīdes relatīvo ātrumu. Un, ja, piemēram, mūsu Visums izplestos ar tādu pašu ātrumu kā tagad, bet tajā pašā laikā tam būtu vairākas reizes mazāks blīvums, tad saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju emisijas kosmoloģiskās sarkanās nobīdes vērtība. Galaktiku spektri būtu tas pats. Izrādās, ka milzīgu masu esamība Visuma iekšienē, ierobežojot Visuma izplešanos, nekādā veidā neietekmē kustīgo fotonu enerģiju! Tas šķiet maz ticams.

Iespējams, tāpēc radās nopietnas problēmas, mēģinot vispārējās relativitātes teorijas ietvaros izskaidrot ļoti tālu supernovu spektru sarkano nobīdi atkarību no attāluma līdz tām. Un, lai “glābtu” vispārējo relativitātes teoriju, divdesmitā gadsimta beigās kosmologi izvirzīja pieņēmumu, ka mūsu Visums paplašinās nevis ar palēninājumu, bet, gluži pretēji, ar paātrinājumu, pretēji universāluma likumam. gravitācija (šī tēma tiek apspriesta).

Šeit mēs neapspriedīsim hipotēzi par Visuma paātrināto izplešanos (lai gan, pēc manas dziļas pārliecības, ar šādu hipotēžu palīdzību nav vērts glābt ne tikai vispārējo relativitātes teoriju, bet arī nevienu citu teoriju), bet tā vietā mēģināsim pārnest šo problēmu no lauka teorētiskās fizikas uz eksperimentu jomu. Patiešām, kāpēc vadīt teorētiskas debates par kosmoloģiskās sarkanās nobīdes izcelsmi, ja jūs varat saņemt atbildi uz šo jautājumu fizikālā laboratorijā?

Vēlreiz formulēsim šo svarīgo jautājumu. Vai pastāv kosmoloģiska sarkanā nobīde, ko izraisa nevis galaktiku attālināšanās Doplera efekts, bet gan fakts, ka, fotonam kustoties, palielinās Visuma gravitācijas potenciāls?

Lai atbildētu uz šo jautājumu, pietiek ar sekojošo eksperimentu (sk. 33. att.).

Lāzera stars tiek sadalīts divos staros tā, ka viens stars uzreiz skar detektoru, bet otrs vispirms kādu laiku pārvietojas starp diviem paralēliem spoguļiem un tikai pēc tam ietriecas detektorā. Tādējādi otrais stars trāpa detektorā ar laika aizkavi t (vairākas minūtes). Un detektors salīdzina divu staru viļņu garumus, kas izstaro laika momentus t- ti t. Jāgaida otrā stara viļņa garuma izmaiņas attiecībā pret pirmo, jo palielinās Visuma gravitācijas potenciāls, ko izraisa tā izplešanās.

Šis eksperiments ir detalizēti apspriests, tāpēc tagad mēs apsvērsim tikai galvenos secinājumus, ko var izdarīt pēc tā veikšanas.

Rīsi. 33. Eksperimenta shematiskā diagramma, lai izmērītu kosmoloģisko sarkano nobīdi, ko izraisa nevis Doplera efekts, bet gravitācijas potenciāla izmaiņas Visuma iekšienē.

Lāzera stars tiek novirzīts uz caurspīdīgu spoguli. Šajā gadījumā viena stara daļa iziet cauri spogulim un trāpa detektorā pa īsāko ceļu. Un otrā stara daļa, kas atspīd no spoguļa un iet cauri spoguļu sistēmai 1, 2, 3, ar noteiktu laika aizkavi ietriecas detektorā. Rezultātā detektors salīdzina divu dažādos laikos izstaroto staru viļņu garumus.

Pirmkārt, mēs varēsim noskaidrot, vai ir vai nav kosmoloģiska sarkanā nobīde, ko izraisa nevis avota noņemšanas ātrums, bet gan pats Visuma izplešanās fakts, tas ir, gravitācijas potenciāla pieaugums iekšienē. Visums.

Otrkārt, ja tiek konstatēta šāda novirze (un tam ir viss iemesls), tādējādi Mēs ar laboratorijas eksperimenta palīdzību pierādīsim pašu Visuma paplašināšanās faktu. Turklāt mēs varēsim izmērīt ātrumu, kādā palielinās visu Visuma matēriju radītais gravitācijas potenciāls.

Treškārt, no sarkanās nobīdes vērtības attālo galaktiku spektros atņemot to daļu, ko izraisa nevis to noņemšanas ātrums, bet gan gravitācijas potenciāla izmaiņas, mēs uzzinām. taisnībaātrumu, ar kādu galaktikas attālinās, un tādējādi spēt labot pašreizējo Visuma vecuma novērtējumu.

Tikmēr mūsu vietējā grupa skrien uz Jaunavas kopas centru ar ātrumu 150 miljoni kilometru stundā.

Piena Ceļu un tā kaimiņu Andromedu, kā arī 30 mazākām galaktikām, kā arī tūkstošiem Jaunavas galaktiku piesaista Lielais Pievilcējs. Ņemot vērā ātrumus šajos mērogos, neredzamajai masai, kas aizņem tukšumus starp galaktikām un galaktiku kopām, ir jābūt vismaz desmit reizes lielākai par redzamo vielu.

Tomēr, pievienojot šo neredzamo materiālu redzamajam materiālam un iegūstot vidējo Visuma masu, mēs iegūstam tikai 10-30% no kritiskā blīvuma, kas nepieciešams Visuma “aizvēršanai”. Šī parādība liek domāt, ka Visums ir “atvērts”. Kosmologi turpina strīdēties par šo tēmu tādā pašā veidā, kā viņi cenšas, jeb “tumšā matērija”.

Tiek uzskatīts, ka tas nosaka Visuma uzbūvi milzīgos mērogos. Tumšā viela gravitācijas ceļā mijiedarbojas ar parasto vielu, kas ļauj astronomiem novērot garu, plānu supergalaktisko kopu sienu veidošanos.

Nesenie mērījumi (izmantojot teleskopus un kosmosa zondes) par masas sadalījumu M31, lielākajā galaktikā Piena Ceļa tuvumā, un citās galaktikās ir noveduši pie atziņas, ka galaktikas ir piepildītas ar tumšo vielu, un ir parādījuši, ka noslēpumains spēks. aizpilda tukšās telpas vakuumu.paātrinot Visuma izplešanos.

Astronomi tagad saprot, ka Visuma galīgais liktenis ir nesaraujami saistīts ar tumšās enerģijas un tumšās matērijas klātbūtni. Pašreizējais kosmoloģijas standarta modelis liecina, ka Visumā 70% ir tumšās enerģijas, 25% tumšās vielas un tikai 5% normālās matērijas.

Mēs nezinām, kas ir tumšā enerģija un kāpēc tā pastāv. No otras puses, daļiņu teorija liecina, ka mikroskopiskā līmenī pat ideāls vakuums tiek burbuļots ar kvantu daļiņām, kas ir dabisks tumšās enerģijas avots. Bet pamata aprēķini liecina, ka tumšā enerģija, kas rodas no vakuuma, ir 10 120 reizes lielāka nekā mēs novērojam. Dažiem nezināmiem fiziskiem procesiem vajadzētu likvidēt lielāko daļu, bet ne visu, vakuuma enerģiju, atstājot pietiekami daudz, lai paātrinātu Visuma izplešanos.

Šis fiziskais process būs jāizskaidro jaunai elementārdaļiņu teorijai. Jaunas teorijas par "tumšajiem atraktoriem" slēpjas aiz tā sauktā Kopernika principa, kas saka, ka nav pārsteidzoši, ka mēs, novērotāji, pieņemam, ka Visums ir neviendabīgs. Šādas alternatīvas teorijas izskaidro novēroto paātrināto Visuma izplešanos bez tumšās enerģijas iesaistīšanas un tā vietā liek domāt, ka esam tuvu tukšuma centram, aiz kura mūs velk blīvāks “tumšais” atraktors.

gadā publicētajā rakstā Fiziskās apskates vēstules, Pengzhi Zhang no Šanhajas Astronomiskās observatorijas un Alberts Stebinss izstādē Fermilab parādīja, ka populārais tukšuma modelis un daudzi citi var labi aizstāt tumšo enerģiju, nenonākot pretrunā ar teleskopa novērojumiem.

Aptaujas liecina, ka Visums ir viendabīgs, vismaz mērogos līdz gigaparsekiem. Džans un Stebbins apgalvo, ka, ja pastāv liela mēroga nelīdzenumi, tie būtu jānosaka kā temperatūras maiņa kosmiskajā mikroviļņu fonā reliktajiem fotoniem, kas radušies 400 000 gadus pēc Lielā sprādziena. Tas notiek elektronu-fotonu izkliedes dēļ (Komptona izkliedes apgrieztā vērtība).

Koncentrējoties uz Habla burbuļa tukšuma modeli, zinātnieki parādīja, ka šādā scenārijā daži Visuma reģioni paplašinātos ātrāk nekā citi, kā rezultātā temperatūras maiņa būtu lielāka, nekā gaidīts. Bet teleskopi, kas pēta CMB, neredz tik lielas izmaiņas.

Kā teica Kārlis Sagans, "ārkārtējiem apgalvojumiem ir nepieciešami ārkārtēji pierādījumi."