Космос становится больше. Хаббл. Расширение Вселенной - Eduardo Lopez

Слайфер получил скорости множества спиральных галактик, но для того чтобы сформулировать положение, известное нам сегодня как закон Хаббла, нужно было измерить скорость большего количества галактик, и самым важным было измерение скорости удаленных галактик, недоступных для наблюдения в слабый телескоп — именно такой был у Слайфера. Для дальнейшей работы нужен был 100-дюймовый телескоп Маунт-Вилсона. Астроном-ассистент Мильтон Хьюмансон, которого называли просто Мильт, отыскивал в небе очень слабые галактики и получал их красное смещение. На основании этих данных майор Хаббл вычислял скорость, при этом Мильт удивлялся быстроте его расчетов. На самом деле Хабблу требовалось всего лишь умножить красное смещение на скорость света. Хьюмансон получал все более и более высокие скорости. Сначала он нашел галактику с кажущейся скоростью 3000 км/с, что было значительно больше максимальной скорости, вычисленной Слайфером. Но эта цифра оказалась несущественной, так как в один прекрасный для астрономии день в результате измерений Мильт получил скорость 20000 км/с. Исследователи начали получать скорости, составляющие десятую часть недостижимой скорости света. Когда скорость достигнет скорости света, будет ли это означать, что ученые добрались до края Вселенной? Мильт и майор Хаббл чувствовали, что чудесное открытие все ближе.

Американский астроном Мильтон Хьюмансон, роль которого в наблюдательной астрономии сильно недооценена.

Поток от дальних галактик был в 100 раз меньше, чем от галактик в скоплении Девы, значит их удаленность была в 10 раз больше, так как еще со времен Кеплера известно, что поток убывает по закону обратного квадрата расстояния.

Оригинальный графин из работы Хаббла, выражающий его закон.

На оси абсцисс указано расстояние до каждой галактики в парсеках (1 парсек = 3,258 светового года), на оси ординат — их кажущаяся скорость в километрах в секунду.

Объединяя скорости Слайфера со скоростями, полученными Хьюмансоном, можно было оценить отношение скорости и расстояния для дистанций, недоступных телескопу. Если расположить по оси ординат расстояния, а по оси абсцисс — скорости, получалась прямая линия со штрихами, показывающими на возможность ошибки, которая становилась тем вероятнее, чем дальше располагались туманности (см. график).

Это означало, что расстояние и скорость прямо пропорциональны. Коэффициент пропорциональности Хаббла обозначили через К, но скоро стали писать H0 — от первой буквы в фамилии ученого — по предложению Ричарда Толмана, друга Хаббла из Калтеха. Индекс 0 в космологии означает настоящий момент. Закон Хаббла был открыт, вернее подтвержден и уточнен:

v = H0r,

где r — расстояние, a v — скорость. Расстояние измерялось в Мпк (мегапарсек; 1 парсек соответствует 3,258 светового года). Скорость измерялась в км/с. Единицей для Я был, соответственно, км/(сМпк). Величина, полученная Хабблом и Хьюмансоном, составила H0= 558 км/(сМпк). Это значение было слишком большим, сегодня используется величина 71 км/ (сМпк). Скоро мы поговорим о причинах этой ошибки.

Статья «Отношение скорости и расстояния во внегалактических туманностях», написанная Хабблом и Хьюмансоном, была опубликована в AstrophysicalJournal в 1931 году.

Напоминаем, что мы используем слово «туманность» вместо «галактика», потому что этот термин употреблял Хаббл.

Ученый не считал, что эти скорости реальны. На самом деле измерялось красное смещение спектральных линий. Отражает красное смещение реальную скорость, которую можно рассчитать с помощью формулы, или нет — исследователи не знали, это была всего лишь догадка. Поэтому, хотя Хаббл использовал букву v и измерял ее в км/с, он всегда отмечал, что речь идет о кажущейся скорости. Как объективный наблюдатель он не отрицал того, что красное смещение z может зависеть от других неизвестных факторов, отличных от доплеровского. Хаббл знал, что другие теоретики считали так же.

А если это не эффект Доплера? В этом вопросе таится не только желание объективно использовать термин. Хаббл знал, что болгарский астроном Фриц Цвикки (1898-1974) предположил, что красное смещение связано с ослаблением энергии фотонов на пути от галактики к нам. Эта гипотеза называлась гипотезой утомленного света. Сделать вывод об «утомленности света» можно было при наличии неких материальных частиц, которые при взаимодействии с фотонами постепенно забирают у них энергию, и при этом, согласно формуле Планка Е = hv, фотон теряет частоту, то есть происходит покраснение.

Сторонники релятивизма также не интерпретировали данную скорость как реальную. Хаббл не был готов понимать все связанные с его гипотезой теоретические сложности. Он осознавал, что его подготовка в области физики недостаточна, он всего лишь прекрасный наблюдатель. Хотя ученый не понимал и не хотел понять теорию относительности, он знал, что релятивизм трактует красное смещение как искажение метрических свойств, а поскольку он ничего не знал об этом явлении, оно вызывало у Хаббла недоверие. Он не хотел использовать эффект Доплера для объяснения z, поэтому все время добавлял к слову «скорость» прилагательное «кажущаяся». Действительно, современная космология не интерпретирует красное смещение галактик как реальное движение: галактики неподвижно закреплены на воображаемой сетке, которая вытягивается. Время-пространство могут не только искривляться, но и растягиваться.

ВРЕМЯ ХАББЛА И БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

Единицей измерения коэффициента пропорциональности (Н) был км/(сМпк). Он состоит сразу из двух единиц измерения расстояния — километра и мегапарсека, — поэтому его нельзя отнести к гомогенной системе единиц измерения. Если мы поставим одинаковые единицы для расстояний, то получим Н = 1,9 • 10 17с-1. Это необычный показатель, измеряющийся в секундах в минус первой степени, обратный времени. У нас сразу же появляется безудержное желание обнаружить обратное значение этого количества, и мы получаем 5,4 • 1016 секунды, что эквивалентно 2 миллиардам лет (сегодня данные величины можно скорректировать: обратная постоянной Хаббла равна примерно 14 миллиардам лет).

Принцип для Вселенной

Что означает это время, которое сегодня называется временем Хаббла? Чтобы понять его приблизительное значение, представим, что мы прокручиваем время назад. Самые дальние галактики быстро приближаются к нам; самые ближние галактики приближаются к нам медленнее. Когда пройдет 14 миллиардов лет, все галактики соберутся в одной точке. Нам в голову сразу же приходит выражение Большой взрыв. И действительно, уже тогда ученые-релятивисты подошли к этой концепции, хотя термин Большой взрыв был введен британским астрофизиком Фредом Хойлом (1915-2001) значительно позже. Однако Хаббл не хотел разбираться в гипотезах, связанных с Большим взрывом.

Также любопытно, что в статье ни разу не упоминалось расширение и не было даже слова «Вселенная». Хаббл не хотел портить простой закон какими-либо теоретическими догадками. Он опасался, как бы не повторилась история с классификацией галактик, когда он говорил о «ранних» и «поздних» галактиках, увлеченный теориями своего друга Джинса.

Закон Хаббла был сформулирован для «настоящего момента». Несмотря на то что туманность могла находиться на расстоянии 30 миллионов световых лет и, соответственно, свет, который мы сегодня видим, был испущен 30 миллионов лет назад, мы можем сказать, что это практически настоящий момент по сравнению с 14 миллиардами лет, которые длится жизнь Вселенной. Мы наблюдаем прошлое и только прошлое, но это прошлое близко к настоящему. Если мы вслед за Хабблом захотим избежать интерпретаций красного смещения с помощью эффекта Доплера, нам придется написать:

z = (H0/c)r.

Красное смещение пропорционально расстоянию, однако z — то, что на самом деле измеряется. Приведенное выражение является наиболее объективной формулировкой закона Хаббла.

ЯВЛЯЕТСЯ ЛИ ЗАКОН ХАББЛА ЗАКОНОМ ХАББЛА?

Нет, не является. В числе конфликтов, которые были у Хаббла с коллегами, нужно упомянуть и неприятный эпизод, когда Хаббл безосновательно разозлился на нидерландского теоретика Виллема де Ситтера (1872-1934), одного из наиболее известных релятивистов. Де Ситтер отправил Хабблу свою статью, опубликованную в известном журнале «Вестник астрономических институтов Нидерландов». В работе говорилось о том, что несколько астрономов упоминали возможное отношение между расстоянием и скоростью галактик. Хаббл сурово ответил де Ситтеру: 

«Мы всегда понимали, что когда публикуется первоначальный результат и объявляется о начале программы по проверке данного результата... первичное обсуждение новых данных происходит среди тех, кто занимался реальной работой, это вопрос вежливости. Вы, вероятно, не согласны с этими этическими нормами?»