Закон Хаббла

Авторы: Dr. Don B. DeYoung
Перевод: bibleap.com

Введение

Имя Хаббла тесно связано с современной астрономией. Существует телескоп Хаббла, постоянная или параметр Хаббла, длина и диаграмма Хаббла, а также закон Хаббла. Особое значение имеет постоянная Хаббла H; она определяется как мера скорости расширения Вселенной. Многие астрономы считают, что H также содержит ключ к изучению возраста Вселенной. В настоящее время существует большая путаница относительно возраста Вселенной, и на то есть веские причины. Каждая астрономическая публикация представляет различное мнение о возрасте — от 6 миллиардов до 25 миллиардов лет и более. Иногда даже сообщается, что некоторые шаровые звездные скопления кажутся старше самой Вселенной!¹ Основная причина этой путаницы связана с постоянной Хаббла. Ее ценность преследовала астрономов на протяжении десятилетий, и все же она до сих пор не известна наверняка. На самом деле, конечно, возраст Вселенной — это всего лишь один из многих нерешенных вопросов в современной астрономии. В Приложении А представлен перечень многих других таких фундаментальных вопросов.

Эдвин Пауэлл Хаббл 1889–1953

Несмотря на то, что прошло уже почти полвека, тень Эдвина Хаббла все еще доминирует в области астрономии. Он по сути задал стиль этой дисциплине, вплоть до своего авторитетного, безличного стиля письма, столь часто встречающегося в современной астрономии. Типичное предложение Хаббла:

‘«Туманности встречаются как поодиночке, так и группами различных размеров вплоть до случайных больших компактных скоплений по несколько сотен членов в каждом»..’^2,3,4

Эдвин Хаббл родился в Миссури, будучи одним из семерых детей в семье. Он был отличником, а также звездным спортсменом в школе. В возрасте 16 лет он поступил в престижный Чикагский университет, чтобы изучать физику и астрономию. Затем, получив стипендию Родса, Хаббл поступил в Королевский колледж в Оксфорде, Англия, где получил диплом юриста. Однако юридическое поле не очень подходило Хабблу, и он ненадолго стал баскетбольным тренером в Индиане. Затем он вернулся в Чикаго для получения степени доктора астрономии, выданной в 1917 году, как раз когда Америка вступила в Первую Мировую войну. Хаббл с отличием прослужил два года в Европе, а затем вернулся домой, чтобы заняться астрономией в обсерватории Маунт-Уилсон, Южная Калифорния.

В течение следующей четверти века Хаббл сделал много ключевых открытий, используя 100-дюймовый телескоп Вильсона. Он привнес формальный стиль в наблюдение – всегда надевая галстук, когда дежурил у телескопа. Он выпустил две ставшие классикой книги: «The Realm of the Nebulae/Царство туманностей» (1936) и «The Observational Approach to Cosmology /Наблюдательный подход к космологии» (1937). Эдвин Хаббл явно не был религиозным человеком. Ни в его книгах, ни в биографиях не обсуждается какое-либо рассмотрение Библии или библейского творения.

Во время Второй мировой войны Хаббл использовал свои таланты в исследовательской лаборатории баллистики армии США. В то же время он помогал планировать знаменитый 200-дюймовый телескоп Хейла на горе Паломар, в 50 милях от Маунт-Вилсон. Хаббл продолжал свои исследования на горе Паломар, пока в 1953 году он не умер от инсульта.

Открытия Хаббла

Хаббл наслаждался долгой карьерой, полной успешных исследований в области астрономии. Здесь будут упомянуты три его наиболее известных вклада. Во-первых, Хаббл значительно расширил известную шкалу расстояний до звезд. В течение многих лет велись споры относительно некоторых спиральных туманных объектов, обнаруженных в ночном небе. Кульминацией этих споров стали знаменитые дебаты Шепли-Кертиса в 1920 году в Национальной академии наук. Харлоу Шеппи из обсерватории Маунт-Вилсон полагал, что загадочные туманности – это небольшие, близкие друг к другу газовые облака в пределах нашей галактики Млечный Путь. Хербер Кертис из соседней обсерватории Лик возражал, настаивая, что эти объекты на самом деле были галактиками сами по себе, каждая из которых была очень далекой и очень большой. Примерно в это же время был завершен новый 100-дюймовый телескоп в Маунт-Вилсон, который увидел свой «первый свет». Эдвин Хаббл быстро приступил к детальному изучению спиральных туманностей. Особенно его заинтересовала одна из них – Андромеда, обозначенная в каталоге космических объектов Шарля Месье как М-31. Хаббл видел лишь отдельные звезды внутри спиральных рукавов. Что еще более важно, некоторые из этих звезд были цефеидами, которые указали на удаленность от Земли ( см. Приложение Б).

Первоначально Хаббл вычислил неточное расстояние в 930 000 световых лет для Андромеды, которая сегодня, как известно, находится на расстоянии около 2,2 миллиона световых лет. Хербер Кертис был прав в споре 1920 года: многие туманности действительно были отдаленными галактиками. Иногда эти строительные блоки Вселенной ошибочно называют «островными вселенными». Такие галактики обычно содержат до 100 миллиардов звезд каждая. Кроме того, известно о существовании около 100 миллиардов различных галактик. Таким образом, в настоящее время известно около 1010²² (10 миллиардов триллионов) звезд в видимой Вселенной.

Вторым вкладом Хаббла была каталогизация различных типов галактик. К ним относятся эллиптические, спиральные, зарешеченные спирали и неправильные формы. Многие астрономы, начиная с Хаббла, предположили, что один тип галактик эволюционирует в другой в течение миллиардов лет. Одни считают, что эллиптические галактики развиваются в спирали, другие говорят, что изменения происходят в противоположном направлении. На самом деле, доказательства такой эволюции галактик отсутствуют. Если галактики действительно изменяются, то релятивистская космология Рассела Хамфриза (автор книги «Звездный свет и время») предлагает креационистское объяснение.⁵ В этой модели галактики могут медленно стареть в своей собственной системе отсчета, но в совершенно ином временном масштабе по сравнению с молодым миром по отношению к Земле.

Хаббл наиболее известен своим третьим вкладом в астрономию. Его утверждение состоит в том, что галактики движутся в разные стороны друг от друга, в расширяющемся пространстве, и что их скорость пропорциональна расстоянию до них. Астроном Весто Слайфер сообщил о красном смещении туманностей еще в 1912 году. Тем не менее, именно Хаббл предложил общее расширение Вселенной. В знаменитой статье 1929 года он описал «закон красных смещений», который вскоре стал известен как закон Хаббла.⁶

Предполагаемое расширение Вселенной быстро стало одним из главных доказательств теории происхождения мира под названием Большой взрыв. Интересно, что Хаббл всегда оставался неуверенным в скоростной интерпретации звездного красного смещения. Он говорил о «предполагаемых скоростях», хотя это понятие редко используется в такой форме сегодня.

С точки зрения сотворения, расширение Вселенной вполне может быть правдой, но интерпретация Большого взрыва совершенно не нужна. Вместо этого Вселенная, скорее всего, была создана в расширяющемся виде для обеспечения стабильности. Без расширения гравитация привела бы к коллапсу Вселенной. Многие другие движения, такие как орбиты планет и вращение звезд и галактик, также выполняют ту же функцию обеспечения стабильной, надежной Вселенной.

Постоянная Хаббла

Соотношение скорости (v) и расстояния (d) для галактик можно записать как

где H – постоянная пропорциональности или постоянная Хаббла. Здесь v – предполагаемая скорость, то есть скорость, которая произвела бы наблюдаемое красное смещение, если бы скорость действительно была причиной красных смещений. Формула гласит, что скорость галактики линейно возрастает с расстоянием в пространстве.

Закон Хаббла широко используется для измерения расстояний между галактиками в масштабе миллиардов световых лет. Во-первых, этот метод используется для поиска ближайших удаляющихся галактик («калибровочные галактики»), для которых известны v и d. Из этих данных можно определить величину H. Затем для других более удаленных галактик, зная их скорости по измерению красного смещения, можно вычислить галактические расстояния.

На практике все не так просто. Калибровка закона Хаббла, то есть определение H, оказалась сложной задачей. Скорость v для галактик действительно может быть найдена, если предположить, что красное смещение света действительно связано с движением звезд. Но галактическое расстояние – это гораздо более сложная задача. Обычно ищут переменные цефеиды – звезды известного расстояния в других галактиках (см. Приложение Б), и эти калибровочные галактики должны быть далеко за пределами Андромеды, например, для которых закон Хаббла неприменим. Галактика Андромеда находится в нашей «соседней» локальной группе из примерно 30 галактик. Андромеда действительно движется к Млечному Пути из-за гравитационного притяжения, и ее свет показывает небольшое синее смещение. Обратите внимание, что в модели Большого взрыва расширяется само пространство. В этом процессе галактики разлетаются в стороны.

Большая часть недавних исследований была связана с обнаружением пульсирующих цефеид в большом скоплении галактик Девы, примерно в 50 миллионах световых лет от нас. Эти галактики дали приблизительную оценку постоянной H. При экстраполяции закон Хаббла затем используется для оценки расстояний галактик, которые находятся в сотни раз дальше, чем скопление Девы. Это называется «метод начальной загрузки», когда более поздние выводы основываются на более ранних, критически важных измерениях. Небольшая ошибка в начале может привести к бессмысленным результатам позже.

Показаны единицы измерения для закона Хаббла:

Типичная скорость рецессии для галактик скопления Девы составляет около 1 200 километров в секунду. Один парсек расстояния составляет 3,26 световых лет; мегапарсек – миллион парсеков, 3,26 миллиона световых лет, или 18 x 10¹⁸ миль (29 x 10¹⁸км).

В соответствии со сценарием Большого взрыва, H, как полагают, уменьшилась со временем из-за постепенного тормозного эффекта гравитации. Константа является мерой того, насколько быстро расширяется Вселенная, и это расширение было более быстрым, когда Вселенная была молодой. Таким образом, H – это скорее не константа, а изменяющийся параметр. Для энтузиастов Большого взрыва обратная величина H становится верхним пределом возраста Вселенной.

В таком виде величина H должна быть умножена на 9.64 x 10¹¹ , чтобы дать возраст в годах. Таким образом, если H = 50,

Астрономы не придерживаются строго этих расчетов, поскольку подозревают, что H со временем уменьшается; следовательно, Вселенная должна быть несколько моложе. Общепринятой практикой является приведение фактического значения возраста примерно в 2/3 от расчетного результата, в данном случае 13 миллиардов лет.

Размер униформистской Вселенной также следует из H, предполагая, что самые дальние галактики удалялись со скоростью c после Большого взрыва:

Опять же, предполагая, что H = 50, с соответствующими единицами измерения, то получится размер в 19,5 миллиардов световых лет. Коэффициент редукции, связанный с гравитацией, составляющий около ⅔, опять же применяется здесь таким же образом, как и для определения возраста. Является ли эта длина радиусом Вселенной, диаметром или даже окружностью, зависит от конкретного взгляда на геометрию пространства.

Значения постоянной Хаббла

Постоянная Хаббла не может быть точно измерена, как скорость света или масса электрона. Помимо вопросов о ее возможном изменении в прошлом, сегодня просто нет единого мнения о ее значении. В таблице 1 приведены опубликованные значения постоянной Хаббла за прошедшие годы. В статьях, где возраст Вселенной не был указан, он был выведен из обратной величины H, с использованием коэффициента гравитации 2/3, обсуждавшегося ранее. Опубликованные значения возраста показывают довольно широкий диапазон гравитационных факторов, используемых различными авторами.

Сегодня существует два популярных конкурирующих значения постоянной Хаббла. Меньшее значение, примерно равное H = 50, поддерживают Аллан Сэндидж, Густав Тамман и коллеги. Эта константа дает возраст Вселенной в 19,3 миллиардов лет. Более крупное значение, H = 100, предпочитают многие другие астрономы: Жерар Вокулер, Ричард Фишер, Роберта Хамфриз, Венди Фридман, Барри Мадор, Брент Талли и другие. При H = 100 возраст Вселенной вдвое меньше, чем у Сэндриджа, «всего» 9 миллиардов лет или меньше, в зависимости от используемого гравитационного коэффициента.

Дело здесь не в том, какое значение H является более точным. С точки зрения творения, любая крайность H может быть допустимой, в то же время полностью отвергая выводы о возрасте. Еще больший интерес представляет неудобное положение, в котором оказались космологи Большого взрыва: если Вселенная старше (H = 50), то необходимо объяснить большое количество противоположных данных. А если Вселенная моложе (H = 100), то «древние» шаровые скопления требуют объяснения.

Креационная интерпретация H

Современные креационисты не признают «медленного» расширения Вселенной в результате Большого взрыва. Первоначальное «растягивание» небес Творцом вполне могло быть почти мгновенным событием. После этого начала, возможно, продолжалась более медленная внешняя экспансия, которая наблюдается сегодня. Таким образом, фактическое значение H может быть выражено ступенчатой функцией, как показано на рисунке 1.

Почти бесконечное значение H относилось бы к четвертому дню, когда были созданы Солнце, Луна, звезды и галактики. Просто для удовольствия это значение H можно аппроксимировать из уравнения (2)

Если выбрано более короткое время сотворения, неполный день, то значение постоянной Хаббла приближается к бесконечности. Инфляционные космологи, которые поддерживают крайние верхние значения для H, никогда не подумали о таком большом значении константы H! Суть в том, что закон Хаббла просто не применим к периоду творения, когда скорость расширения Вселенной была намного выше скорости света. Однако закон Хаббла вполне применим к современной Вселенной, где спад галактик пропорционален расстоянию. Переход H от четвертого дня к настоящему времени мог быть либо внезапным падением, либо экспоненциальным спадом (пунктирные линии на рис.1). Из-за сингулярной природы сотворения нет простого способа проверить эту альтернативную историю для постоянной Хаббла.

Вероятностное предсказание креационистами параметра Хаббла (H) в зависимости от времени. На 4 день, значение H было блико к бесконечности, когда небеса были распростираемы. После чего, оно уменьшилось либо экспотенциально (b) либо прямо (b)

Вывод

Какие выводы можно сделать из закона Хаббла, v = Hd, с точки зрения недавнего творения? Рассмотрим эти моменты:

1. Определение скорости (v) для галактик, основанное на красном смещении звездного света, может быть правильным. Вселенная могла бы быть создана в расширяющемся режиме для обеспечения стабильности. Конечно, эти данные получены из глубокого космоса, где наше знание условий ограничено.
2. Определение расстояния (d), основанное на переменных цефеид (миллионы световых лет), также может быть довольно точным. Более отдаленные расстояния (миллиарды световых лет), основанные на законе Хаббла, могут быть несколько точными, хотя и ограничены неопределенностью H .
3. Закон Хаббла, v = HD, может быть правильным сегодня. Значение H в диапазоне 50–100 вполне может описать современную Вселенную. Однако, если это отношение верно, то оно существовало только с тех пор, как небеса были сверхъестественно распростерты.
4. Использование обратной H для аппроксимации возраста Вселенной должно быть отвергнуто. Этот метод предполагает равномерное расширение Вселенной во времени. Метод также предполагает, что H была более или менее постоянной с самого начала. С точки зрения сотворения она явно не была постоянной (см. рис.1).
5. Использование соотношения c / H для измерения максимального размера Вселенной также должно быть отвергнуто. Этот метод предполагает, что H остается в основном постоянной и что разлет галактик был равномерным в течение огромного периода времени.
6. Креационистское предсказание состоит в том, что Вселенная может сильно отличаться по размеру от того, что предполагают космологи. Учитывая количество галактик в космосе, этот размер, безусловно, должен быть больше, а не меньше. На самом деле физическая Вселенная может быть почти бесконечной по своим размерам, потому что, «небеса возвещают славу Божию» (Псалтирь 18:1).

Закон Хаббла был назван величайшим вкладом в современную астрономию. Он описывает общее понимание расширения Вселенной. В то же время, однако, полная неопределенность значения H указывает на ограниченное понимание основных деталей, таких как расстояние до галактики, возраст и размер Вселенной. Очевидно, что не должно быть никакого смущения в точке зрения, что Вселенная намного моложе, чем обычно думают.

Теории происхождения постоянно приходят и уходят, а «константы», такие как H, увеличиваются и уменьшаются значительным образом. Насколько же лучше библейский взгляд, где есть абсолюты, гарантированные Самим Творцом!

Приложение А

Ниже приводится неполный список важных вопросов, оставшихся без ответа в современной светской астрономии. Хотя популярные СМИ могут утверждать обратное, эти вопросы остаются актуальными:

1. Какова истинная величина постоянной Хаббла?
2. Почему поток солнечных нейтрино меньше половины его ожидаемого значения?
3. Почему внеземная жизнь не была обнаружена во многих других местах космоса?
4. Откуда появилось «ядро» массы – энергии Большого взрыва и почему оно «взорвалось»?
5. Как спонтанно образовались первые звезды и галактики?
6. Существуют ли настоящие планеты, вращающиеся вокруг других звезд?
7. Действительно ли красное смещение звездного света вызвано расширением Вселенной, или оно может иметь другое объяснение?
8. Каково происхождение Луны?
9. Как далеко находятся квазары и что они собой представляют?
10. Эволюционируют ли галактики с течением времени?
11. Где недостающая масса, необходимая для Большого взрыва? Ее также называют скрытой, темной, холодной или экзотической материей.
12. Что является источником космического излучения?

Приложение Б

Генриетта Ливитт и переменные цефеиды

Каждая звезда несколько изменчива в своем световом потоке, включая Солнце. Одна категория переменных звезд, в частности, очень полезна в астрономии; они называются переменные цефеиды. Эти звезды изменяют свои реальные размеры примерно на 10%, расширяясь и сжимаясь в течение нескольких дней. Ярче всего они смотрятся тогда, когда имеют больший размер. Первая такая переменная была замечена в созвездии цефеиды в 1784 году. Сегодня известно несколько сотен таковых, включая Полярную звезду.

Важное свойство цефеид было открыто астрономом Генриеттой Ливитт столетие назад. Она потратила много лет на каталогизацию переменных цефеид, особенно их яркости и периода изменения яркости. Как писала мисс Ливитт в 1908 году, «Стоит отметить … что более яркие переменные имеют более длительные периоды». Точнее, период, в течение которого изменяется звезда, пропорционален ее внутренней, действительной яркости. Это означает, что цефеиды могут быть использованы в качестве наиболее точных индикаторов расстояния до других ближайших галактик. В этом процессе необходимо выполнить следующие шаги:

1. Измерьте период изменения и кажущуюся яркость или величину для конкретной цефеиды.
2. Исходя из временного периода, определите фактическую яркость звезды, также называемую абсолютной величиной.
3. Зная как видимую, так и фактическую звездную величину, можно точно определить расстояние.

Переменные звезды цефеиды, как правило, очень яркие. Таким образом, их пульсирующую природу можно наблюдать и в других галактиках. Цефеиды фактически формируют основу для всех оценок размеров Вселенной сегодня. Они калибруют закон Хаббла, обеспечивая точные расстояния примерно до 50 миллионов световых лет. Первые наблюдения мисс Ливитт вела за Магеллановыми Облаками – ближайшими к Млечному Пути галактиками. Позднее, в 1923–1924 годах, Эдвин Хаббл открыл дюжину переменных цефеид в галактике Андромеда, показав большое расстояние этой галактики от Земли.

Генриетта Ливитт (1868–1921) была дочерью известного священника. Она придерживалась консервативных добродетелей своих пуританских предков. Мисс Ливитт провела свою звездную карьеру в обсерватории Гарвардского колледжа в Массачусетсе. Хотя она и не была обучена астрономии, она быстро продемонстрировала уникальное мастерство в анализе фотопластинок. Она стала начальником отдела фотографической фотометрии, и это в те времена, когда женщины не всегда были желанными гостями в науке. О мисс Ливитт в свое время засвидетельствовали:

«Она была преданным членом своего семейного круга … бескорыстно внимательна к своим друзьям, непоколебимо верна своим принципам и глубоко добросовестна и искренна в своей христианской жизни и характере».¹⁸

Ссылки и примечания

1. Hogan, C. J., 1994. Cosmological conflict. Nature, 371:374–375. Вернуться к тексту.
2. Overbye, D., 1991. Lonely Hearts of the Cosmos, Harper Perennial, New York, p.17. Вернуться к тексту.
3. Osterbrock, D. E., Gwinn, J. A. and Braashear, R. S., 1993. Edwin Hubble and the expanding universe. Scientific American, 269(1):84–89. Вернуться к тексту.
4. Gillispie, C. C. (ed.), 1970. Dictionary of Scientific Biography (in twenty volumes), Charles Scribner’s Sons, New York, Volume VIII, pp. 105–106. Вернуться к тексту.
5. Humphreys, D. R., 1994. Starlight and Time, Master Books, Colorado Springs. Вернуться к тексту.
6. Hubble, E., 1929. A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae. Proceedings of the National Academy of Science, 15:168–173. Вернуться к тексту.
7. Hubble, Ref. 6. Вернуться к тексту.
8. Harwit, M., 1973. Astrophysical Concepts, John Wiley and Sons, New York, p. 61. Вернуться к тексту.
9. Pasachoff, J., 1992. Journey through the Universe, Saunders College Publishing, New York, p. 366. Вернуться к тексту.
10. Gribbin, J., 1993. Thumbs up for an older Universe. New Scientist, 140(1897):14–15. Вернуться к тексту.
11. Freedman, W., Madore, B., Mould, J., Ferrarese, L., Hill, R., Kennicutt, R. Jr., Saha, A., Stetson, P., Graham, J., Ford, H., Hoessel, J., Huchra, J., Hughes, S. and Illingworth, G., 1994. Distance to the Virgo cluster galaxy M100 from Hubble space telescope observations of Cepheids. Nature, 371:757. Вернуться к тексту.
12. Hawking, S., 1994. Black Holes and Baby Universes, Bantam Books, New York, p.46. Вернуться к тексту.
13. Kuhn, K., 1994. In Quest or the Universe, West Publishing Co., New York, p. 556. Вернуться к тексту.
14. Matthews, R., 1994. Cosmology: spoiling a universal ‘fudge factor’. Science, 265(5173):740–741. Вернуться к тексту.
15. Ross, H., 1994. Creation and Time, NavPress, Colorado Springs, p. 95. Вернуться к тексту.
16. Schmidt, B., Kirschner, R., Eastman, R., Philips, M., Suntzell, N., Hamuy, M., Maza, J. and Aviles, R., 1994. The distances to five type II supernovae using the expanding photosphere method, and the value of H_o. Astrophysics Journal, 432:42–48. Вернуться к тексту.
17. Wolff, M., 1994. Exploring the Physics of the Unknown Universe, Technotron Press, Manhattan Beach, California, p. 164. Вернуться к тексту.
18. Mitchell, H. B., 1976. Henrietta Swan Leavitt and Cepheid variables. The Physics Teacher, 14:162–167. Вернуться к тексту.