Закон Хаббла: Читання Розширення Всесвіту з Прямої Лінії

Пряма лінія, яка переписала космологію

У 1929 році Едвін Хаббл побудував графік швидкості рецесії віддалених галактик (виміряної за їх червоним зсувом) проти їх відстані (приблизно оціненої за допомогою змінних Цефея) і виявив приблизно пряму лінію, що проходить через початок: v = H₀·d. Швидкість збільшується безпосередньо із збільшенням відстані – галактика вдвічі далі віддаляється приблизно вдвічі швидше. Постійний коефіцієнт пропорційності, H₀, також відомий як постійна Хаббла, зазвичай подається в км/с на мегапарсек; сучасні вимірювання згруповані навколо 67-73 км/с/Мпк, і невеликий, але постійний розбіг між різними методами вимірювання є активною областю досліджень, відомою як напруження Хаббла.

Червоне зміщення не є доплерівським зсувом, власне

Схиляється до думки вважати рецесію як фізичне віддалення галактик від нас через статичний простір, подібно до зниження частоти звуку сирени машини швидкої допомоги, що віддаляється. Загальна теорія відносності дає дещо інше зображення: сам простір розширюється, подовжуючи довжину хвилі світла в процесі подорожі – космологічне червоне зміщення – замість того, щоб галактика рухалася крізь незмінний простір. При низькому червоні зміщенні обидва зображення дають майже однакові результати, що пояснює, чому доплерівська аналогія виживає в неформальних поясненнях, але при високому червоні зміщенні лише картина розширення простору відповідає спостереженням, і саме вона дозволяє галактикам віддалятися швидше за швидкість світла без порушення теорії відносності: жодна галактика не рухається швидше за швидкість світла в місцевому просторі; простір між нею та нами просто збільшується.

Hubble's law:                v = H0 * d
redshift-velocity (v << c): z ~ v / c
Hubble time (age proxy):     t_H = 1 / H0  ~  13.8 Gyr for H0 ~ 70 km/s/Mpc

Попри те, що назва говорить про постійність, константа Хаббла змінюється протягом космічної історії – це швидкість розширення сьогодні, а більш загальний параметр Хаббла (H(t)) розвивається разом із зміною вмісту Всесвіту. На ранньому етапі домінували радіація та матерія, і їхня гравітаційна сила сповільнювала розширення; приблизно останні п’ять мільярдів років було доміновано темною енергією, яке відштовхуючий ефект прискорює розширення знову. Це перемикання – сповільнення, що переходить у прискорення – було виявлено за допомогою віддалених типів Ia сверхнових, які здавалися менш яскравими (більш віддаленими), ніж передбачало б Всесвіт лише з матерії, за що було присуджено Нобелівська премія 2011 року.

Незважаючи на назву, H₀ змінюється протягом космічної історії – це швидкість розширення сьогодні, а більш загальний параметр Хаббла (H(t)) розвивається разом із зміною вмісту Всесвіту.

На ранньому етапі домінували радіація та матерія, і їхня гравітаційна сила сповільнювала розширення; приблизно останні п’ять мільярдів років було доміновано темною енергією, яке відштовхуючий ефект прискорює розширення знову.

Це перемикання – сповільнення, що переходить у прискорення – було виявлено за допомогою віддалених типів Ia сверхнових, які здавалися менш яскравими (більш віддаленими), ніж передбачало б Всесвіт лише з матерії, за що було присуджено Нобелівська премія 2011 року.

Відстань, швидкість і межа того, що ми бачимо

Оскільки v = H₀·d не має вбудованого верхнього обмеження, достатньо віддалені галактики віддаляються швидше за світло — це не суперечність, оскільки саме простір між нами розширюється, а не об'єкт, який локально рухається швидше за світло через нього. Це визначає реарний горизонт: спостережувана всесвіт, завдано приблизно 46,5 мільярдів світлових років у радіусі сьогодні, є регіоном, з якого світ мав час досягнути нас із Великого вибуху, складений разом із майже 13,8 мільярдами років подальшого розширення, що збільшує цю початкову відстань.

Галактики за горизонтом не зникли, вони просто ще не — і у прискорюючусь Всесвіті можуть ніколи не бути — доступні для нас будь-яким сигналом, який ми надсилаємо.

Вимірювання H0: два методи, одна постійна невідповідність

Локальний метод ‘сходи’ поступово будує відстані крок за кроком у ближньому Всесвіті – параллакс до змінних Цефея, потім зміничні Цефея для калібрування типів Ia наднових, а потім наднові на тисячі мегапарсек – і зараз дає H₀ ≈ 73 км/с/Мпк. Метод раннього Всесвіту замість цього підбирає повну космологічну модель (щільність матерії, радіації та темної енергії) до тонкої температурної структури космічного мікрохвильового фону, що залишився від 380 000 років після Великого вибуху, і екстраполює H₀ вперед через цю модель до сьогодні, даючи ≈ 67 км/с/Мпк. Ці два методи не збігаються на рівні приблизно 8%, що значно перевищує їх заявлені невизначеності – це ‘розтягнення Хаббла’ – і чи вказує це на нову фізику в ранньому Всесвіті, чи на непізнаний систематичну помилку в одній з ‘сходів’, залишається невирішеним.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Hubble's Law і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.