1 Как изучают Вселенную 1 Допустим мы

1

Как изучают Вселенную (1) Допустим мы хотим исследовать состояние Вселенной на разных стадиях ее развития. Для этого надо изучать объекты, находящиеся на разных расстояниях от нас. Почему? 1. Свет имеет конечную скорость с=300 км/сек. 2. Это означает, когда мы наблюдаем излучение объекта, то мы фактически наблюдаем его состояние не в настоящий момент, а время t=D/c тому назад (D- расстояние до объекта). Примеры: 1) когда мы наблюдаем Луну, то мы видим ее состояние 1. 3 секунды тому назад: t=400 000 км/300 000(км/cек)=1. 3 сек. 2) когда мы наблюдаем Солнце, то видим его состояние 8 мин тому назад: t=1 500 000 км/300 000 (км/сек)=500 сек 8 мин. Луна м Земля 400 к сяч Солнце ты 150 млн км 2

Как изучают Вселенную (2) Эта галактика образовалась через 14 -1=13 млрд лет после Большого Взрыва 1 м лр дс . л. 10 дс млр Эта галактика образовалась через 14 -10=4 млрд лет после Большого Взрыва Известно, что Большой Взрыв произошел 14 млрд лет назад 3) когда мы наблюдаем галактику на расстоянии 1 млрд све – товых лет, то мы фактически видим ее состояние (или состояние Вселенной) 1 млрд лет тому назад. 3. Вывод: чтобы изучить Вселенную на разном ее возрасте t, надо наблюдать объекты на разных удаленных расстояниях D. Если D измерять в млрд световых лет, то t = 14 млрд лет- D. Итого: надо найти способы измерять растояния до далеких объектов. Одним из таких методов является использование красного 3 смещения.

Красное смещение в спектрах галактик При изучении Вселенной большое значение имеет эффект Доплера, согласно которому в спектре движущегося объекта происходит смещение спектральных линий. По этому смещению можно определить скорость движения по формуле λ Объект неподвижен Объект движется от нас Объект движется к нам 4

Закон Хаббла (для близких галактик) Скорость (км/сек) В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл по 26 близким галактикам построил зависимость «скорость убегания-расстояние» (левый график). Видно, что эта зависимость является линейной: V=H*R. Н называется постоянной Хаббла. По разным данным значение наклона прямой Н менялось от (465± 50) до Расстояние (в Мпс) (513± 60) км/сек/мпс. Современное значение равно 70 км/сек/мпс. Такие различия вызваны тем, что Хаббл определял расстояния: - методом цефеид. Существовавшая тогда калибровка давала ошибку в расстояниях в 2 раза. - по ярчайшим звездам в галактиках. Он дает ошибку в 4 раза. - по полной светимости галактик, прокалиброваной по цефеидам. Это очень неточный метод. 5

Закон Хаббла (для далеких галактик) Скорость (км/сек) Позднее эту зависимость построили и для больших расстояний. Расстояние (в Мпс) Для определения расстояний уже использовались более точные методы. Видно, что линейность в законе Хаббла соблюдается до расстояний в 700 мпс (или в 2. 3 млрд с. л. ) P. S. Совсем недавно расширение Вселенной проследили до расстояний в 10 млрд с. л. (см. слайды ниже). 6

Определение постоянной Хаббла n n n В течение многих лет значение постоянной Хаббла менялось от значений 50 до 500 км/сек/мпс. Это вызвано тем, что в законе Хаббла наиболее трудно определяемой величиной является расстояние до галактики R. Достаточно надежно определяются расстояния до близких галактик, в которых обнаруживаются цефеиды, которые и являются «стандартными свечами» . Во всех других методах определения расстояний до далеких галактик заложены не всегда достаточно обоснованные предположения. В последние годы в качестве «стандартных свечей» были использованы Сверхновые звезды, которые видны на больших расстояниях и имеют одинаковую светимость в момент вспышки (см. ниже). В настоящее время считается общепринятым значение 7 Н ~70 км/сек/мпс.

Н (км/сек/мпс) Как изменялось значение Н Н (км/сек/мпс) Годы Н=70 км/сек/мпс Годы 8

Как измеряют расширение Вселенной 1. Сперва из всех наблюдаемых далеких объектов надо выбрать те, которые могут быть видимы с больших расстояний и светимость L (полная излучаемая энергия) или абсолютная звездная величина M которых хорошо известна. Такие объекты часто называют «маяками» Вселенной. 2. Расширение Вселенной будет отражаться двояким образом: - изменение расстояний между объектами, - излученные кванты от «маяка» будут испытывать эффект красного смещения. 3. Поэтому свет от «маяка» , излученный на длине волны 0, до наблюдателя дойдет через время t уже на длине волны = 0 +Z , Z= / =V/с. 4. Расстояние до «маяка» D оценивается фотометрически: по видимой звездной величине m и абсолютной звездной величине M. 5. Время t определяется через соотношение t=D/c Таким образом, величины Z и m дают информацию о расширении Вселенной за время t. Набор значений Z и m, полученных для разных расстояний до «маяков» , дает информацию о характере расширения на разных временных стадиях 9 эволюции Вселенной.

a b У некоторых объектов (например, квазаров) величина Z имеет значен Означает ли это, что скорость удаления квазаров больше скорости св На самом деле, при больших скоростях следует использовать реляти формулу: На левом графике дана зависимость Z На правом графике дана зависимость расстояния. 10

Квант света от Сверхновой с длиной волны 1 Наша Галактика Наша Галактик а Вспышка Сверхновой в другой галактике Квант света от Пояснительный пример: Сверхновой с длиной Рис. слева: Допустим, что в прошлом размер Вселенной волны был в два раза меньше, чем сейчас. Допустим, что в этот момент в 2 1 другой галактике вспыхнула Сверхновая. Она испустила кванты с длиной волны 1. Некоторые кванты двигаются в направлении нашей Галактики. Рис. справа: Вселенная расширилась. Расстояния между галактиками увеличились. До нашей Галактики дошли кванты от Сверхновой уже с удвоенной длиной волны. Два варианта расширения: Если бы расширение было с замедлением, то Сверхновая должна быть ближе к нам и казалась бы ярче. Если бы расширение происходило с ускорением, то Сверхновая 11 должна быть дальше от нас и казаться слабее.

Что может быть наилучшими «маяками» ? 1. Еще в 1938 году Цвикки и Бааде указали, что наилучшими кандидатами – «стандартными свечами» могут быть Сверхновые: - их яркость в максимуме блеска для всех Сверхновых одинакова, - их яркость в максимуме блеска очень велика (больше, чем яркость галактики), поэтому они могут быть видны на больших космологических расстояниях. 2. В 80 -х годах прошлого столетия были установлены два типа Сверхновых: SNI и SNII. Тип SNI имеет два подтипа: SNIa и SNIb. 12

Анализом Сверхновых с целью их использования как индикатора расстояний в 1990 -х годов занимались независимо две группы, которые получили одинаковый результат. Брайан Шмидт, Роберт Киршнер и Адам Рис- Сол Перлмуттер – лид проекта «Supernova лидеры проекта Cosmology Project» «The High-Z 13 Supernova Project”.

Почему выбраны Сверхновые SN Iа? Абсолютная звездная величина MV Было было установлено, что среди всех Сверхновых наилучшими кандидатами в «маяки» являются Сверхновые типа SNIa, так как эта группа звезд является Z<0. 1 однородной по свойствам. В Время (дни) частности, они имеют в момент вспышки одинако. Дни вую светимость L (или абсолютную звездную На графике разными цветными символами показаны кривые блеска хорошо изученных Сверхновых типавеличину MV=-19. 5). как схожи SNIa. Хорошо видно, блеска разных звезд. Так же хорошо видно, что в максимуме блеска Сверхновые имеют одну и ту же светимость. 14

m наблюд. Относительная яркость Какой результат по SN? (1) Наблюден ия = с В верхнем правом Ускоряющаяся Вселенная углу приведены Замедляющаяся данные для близких Вселенная и далеких сверхновых. В увеличенном мас. Красное смещение Z штабе ниже приведены данные только для далеких сверхновых. Радиус Вселенной в единицах настоящего радиуса Наблюдения хорошо ложатся на голубую линию, полученную теоретич 15 плотности вещества =1/3 с и плотности неизвестной темной энергии

(m-M) слабее Какой результат по SN? (2) Пустая модель Плоская модель с ТЭ Закрытая модель с ТЭ Замедляющаяся Вселенная с пылью Наблюдения Ω=1+пыль Ω=0 ярче Ω=1 Ω=2 Красное смещение Z По вертикали отложена разность между теоретической яркостью Сверхновой в пустом пространстве и реально наблюдаемой ее 16 яркостью. По оси Х отложена величина Z (см. следующий слайд).

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Что же показал эксперимент Уже при Z = 0. 5 яркость сверхновой оказывается на 25% меньше теоретической. Но при Z = 1 (возраст Вселенной равен 1 млрд. лет) вместо уменьшения яркость возрастает. Кривые на графике это теоретические кривые для разных моделей Вселенной. Выводы получаются такими. Величина красного смещения Z = 1 – это то время, до которого все шло примерно так, как предсказывала теория: скорость разбегания галактик под действием всемирного тяготения постепенно замедлялась. Вплоть до возраста 7 миллиардов лет движением галактик управляла материя через гравитацию. Но дальше в их движении произошли изменения. Вместо замедления галактики стали УСКОРЯТЬСЯ, причем их ускорение экспоненциально нарастает в течение последних 5 миллиардов лет. Всемирное притяжение сменилось всемирным отталкиванием, или антигравитацией! Мы живем примерно в середине периода, когда роль Темной Массы (вместе с обычным веществом) сменилась ролью Темной Энергии. При возрасте 7 миллиардов лет их отношение было 10/1. Через 14 миллиардов лет отношение станет обратным, 1/10 (или 10/1, но уже в пользу Темной Энергии). Свойства антигравитации удивительны. 17

Средние расстояния между галактиками Какой результат по SN? (3) Ускоряющаяся Вселенная . . . -14 10 -13. 0 . . . -8. 8 Прошлое Настоящее время Данные по Сверхновым 0 Вывод из графика: расширение Вселенной происходит с Замедляющаяся ускорением. См. Вселенная желтую линию на зависимости на графике, полученную теоретиками. На Коллапсирующаяся графике точками показаны данные Вселенная по сверхновым. 10 -4. 4 Будущее Время от настоящего момента (в млрд лет) 18

Этот рисунок Настоящее показывает, как Вселенная расширялась. Самая далекая SN Красные круги показывают эпоху замедления в первую половину возраста Ускорение Вселенной. Это расширения замедление было установлено Замедление астрономами по расширения самой далекой Сверхновой. Затем Большой взрыв неизвестная сила преодолела силы гравитации и заставила Вселенную расширяться ускоренно 14 млрд лет 19 (зеленые круги).

Причина антигравитации (распространенная гипотеза) Согласно общей теории относительности тяготение в равной мере присуще и веществу и энергии. При этом теория допускает существование форм энергии с необычными свойствами, при которых гравитация становится силой взаимного отталкивания. Поэтому некоторые ученые предполагают, что причина ускорения это влияние темной энергии. Хотя никто еще не представляет, что это такое. Многие приписывают это энергии вакуума. Дело в том, что принцип неопределенности квантовой механики требует существование виртуальных частиц в вакууме, непрерывно рождающимися и исчезающими. Трудность этой гипотезы такова: теоретики вычислили плотность энергии вакуума, и она оказалась в 1055 раз больше необходимой. 20

Другие точки зрения (1) Приведенная интерпретация наблюдений далеких Сверхновых не единственная. Есть и другие точки зрения. 1. В межгалактическом пространстве имеется пыль. Она может ослабить свет Сверхновых. Поэтому далекие Сверхновые нам кажутся слабее по яркости. Эта гипотеза не получила подтверждения наблюдениями Сверхновых при больших Z (см. слад N 14). 2. Мы предполагали, что светимость в максимуме блеска у всех Сверхновых одна и та же. Но не исключено, что далекие Сверхновые ( а значит, вспыхнувшие в более раннем возрасте Вселенной) по свойствам (в частности, по светимости) могут отличаться от Сверхновых в достаточно близких галактиках (а значит, вспыхнувшие в более позднем возрасте Вселенной). 21

Другие точки зрения (2) интенсивность 3. Признается, что «Большой Взрыв» действительно произошел. В течение времени t действительно соблюдался закон Хаббла: D=Ht. Однако гипотеза отрицает изотропность расширения. 4. Гипотеза «старения света» : свет теряет свою энергию по мере движения квантов во Вселенной. Но главное противореэтой гипотезы с гипотеза «старения света» наблюдениями это то, что тогда бы реликтовое излученаблюдения чение имело бы другой характер. 22

Другие точки зрения (3) 5. На больших расстояниях нарушается закон тяготения. всемирного 6. Третье мнение: темной энергии вообще нет. Надо пересмотреть теорию гравитации Эйнштейна. 7. Существует новое поле, называемое «квинтэссенцией» . 8. Скорость света при движении во Вселенной уменьшается. Если скорость света при взрыве далеких Сверхновых сперва была большой, а затем уменьшилась, то эти Сверхновые будут более слабыми. 23

Будушее Вселенной (если она ускоряется) 1. Силы антигравитации со временем растут. 2. Через 10 млрд. лет эти силы начнут разрушать Вселенную: разрушаются скопления галактик, так как члены скоплений будут вылетать из них. Галактики начинают разлетаться на отдельные части. 3. Далее процессы ускоряются: разрушаются звезды и планеты. Химические соединения распадаются на атомы. Затем и атомы теряют стабильность: ядра не 24 могут удержать электроны.