26.1 Красное смещение в спектрах галактик.

В 1929 году Эдвин Хаббл сообщил об открытии фундаментальной закономерности. Он обнаружил, что все линии в спектрах далёких галактик заметно смещены в сторону красного конца спектра. Так как наша Галактика не может иметь никакого преимущественного положения во Вселенной, наблюдаемое разбегание галактик есть выражение взаимного удаления всех галактик друг от друга.

Это явление связано с происходящим увеличением средних расстояний между галактиками, которое называется расширением Вселенной.

Из наблюдений было установлено, что скорость удаления V_r, соответствующая красному смещению z = , увеличивается в среднем линейно с расстоянием r от галактики:

V_r = c ^.  = H ^. r.

Эта зависимость носит название закона Хаббла, а коэффициент пропорциональности H - постоянной Хаббла.

С принятыми значениями H наблюдающимся скоростям 110 000 км/сек далёких галактик соответствуют расстояния свыше 1 000 Мпс или около 3 млрд световых лет.

Нужно понимать, что закон c ^.  = H ^. r абсолютно верен, так как был многократно проверен наблюдениями. Соотношение же V_r = H ^. r верно только при допущении, что смещение спектральных линий вызывается эффектом Доплера, чего наблюдениями доказать нельзя. Можно лишь судить о большей или меньшей степени достоверности этого утверждения.

Если бы наблюдаемый мир образовался в результате грандиозного взрыва и галактики формировались из материи, разбросанной взрывом, то те из них, которые зародились в частях материи, получивших в момент взрыва большую скорость, должны были бы к настоящему моменту улететь дальше, в полном согласии с законом Хабла.

Принятие закона Хабла должно привести к выводу, что все галактики вылетели одновременно, но с разными скоростями из некоторого сравнительно малого объёма.

Существует несколько альтернативных объяснений красного смещения, минуя эффект Доплера.

1. Гипотеза “старения кванта” основана на допущении, что фотоны при своём движении в пространстве теряют часть энергии, которая в них заключена. Утверждается, что таков закон движения фотона в пространстве. Энергия фотона пропорциональна частоте, т.е. обратно пропорциональна длине волны излучения. По мере того, как фотон путешествует в пространстве, длина волны излучения становится всё больше и весь спектр далёкого объекта оказывается смещённым в красную сторону. Величина смещения пропорциональна расстоянию. На малых расстояниях эффект старения кванта незначителен и его нельзя обнаружить из наблюдений, поэтому он сказывается только в спектрах далёких галактик.

2. Потеря энергии фотоном не есть просто закон его движения, а вызывается взаимодействием с другими фотонами излучения, заполняющими пространство Метагалактики и движущимися по всевозможным направлениям. Чем больший путь проходит фотон, тем в среднем больше взаимодействий он испытывает, тем больше будет красное смещение галактики.

Слабость этих гипотез состоит в том, что они требуют отказа от закона сохранения энергии. Если старение кванта есть просто закон его движения, то энергия теряется, не передаваясь ничему. Если же фотон теряет часть энергии, передавая её какой-то среде, другим фотонам или вообще каким-либо частицам, то всякая такая передача энергии должна быть связана с возможностью изменения направления полёта фотона. Фотоны, прошедшие большой путь должны заметно изменить направление своего движения в пространстве. Вследствие этого изображения далёких галактик должны быть размытыми, и чем дальше галактика, тем степень размытости её изображения должна быть больше. Но наблюдения показывают, что очертания очень далёких галактик также ясны, как и близких.

В настоящее время гипотезы старения квантов не находят сторонников.

Зная красное смещение галактик, легко определить, во сколько раз одна из них дальше другой. Но для оценки расстояния до каждой из них необходимо знать величину постоянной Хаббла.

Оказалось, что для сравнительно близких галактик, до которых расстояние удовлетворительно измеряется различными методами, закон Хаббла не всегда выполняется. А для далёких галактик, обладающих большими скоростями V_r, нет достаточно надёжных критериев определения расстояний без помощи красных смещений. Поэтому до сих пор оценки H, проведённые различными авторами, существенно различаются, хотя практически все они заключены в пределах от 50 до 100 км/(с^.Мпс).

Часто используется среднее значение Н = 75 км/(с^.Мпс).

Первоначальное значение, определённое Хабблом было 540 км/(с^.Мпс).

При красных смещениях около 1 закон Хаббла уже не работает, нужно применять более сложные формулы из специальной теории относительности.

V = c ^. (z² + 2z)/( z² + 2z + 2),

где z = 

Для очень далёких галактик с большим красным смещением эта формула тоже неприменима. Она не учитывает влияние тяготения на изменение частоты световых волн.