Законът на Хъбъл–Лематр: разширяване на Вселената и константа H0

Разширение на Вселената и загадката H0: ясно обяснение на законът на Хъбъл–Лематр, измервания, исторически открития и съвременни противоречия

Законът на Хъбъл или законът на Хъбъл-Лематр описва наблюдението, че Вселената се разширява и по-конкретно гласи следното:

1. Всички обекти, наблюдавани в дълбокия Космос, имат доплерово отместване - измерена скорост спрямо Земята и един спрямо друг;
2. Измерената с доплерово отместване скорост на галактиките, отдалечаващи се от Земята, е пропорционална на разстоянието между тях и Земята и всички останали междузвездни тела.

На по-физическо ниво това наблюдение означава, че обемът на пространство-времето на наблюдаемата Вселена се увеличава с времето и че отдалечаването на галактиките не е толкова „движение през пространството“, колкото „увеличаване на самото пространство“ между тях. Законът е едно от основните доказателства в полза на модела на Големия взрив.

Кратка историческа справка

Въпреки че в популярната литература законът често се приписва главно на Едуин Хъбъл, първите теоретични изводи идват от уравненията на Общата теория на относителността и са направени от Жорж Лематр в статия от 1927 г. Там Лематр предлага идеята за разширяваща се Вселена и дава първa оценка за константата на пропорционалност, която днес наричаме константа на Хъбъл. Две години по-късно Едуин Хъбъл публикува емпиричното потвърждение (1929), базирано на наблюдения на разстояния и червени отмествания — част от тези червени отмествания първоначално са измерени от Весто Слифер още през 1917 г. Други ранни приноси са от Александър Фридман и от решенията на де Ситър и др.

Математическо изразяване и физически смисъл

Законът често се записва в приближение за малки отмествания като v = H0D, където H0 е настоящата стойност на константата на Хъбъл (или по-точно — настоящата стойност на параметъра на Хъбъл), D е „правилното разстояние“ до обекта, а v е скоростта на рецесия (вж. Използване на правилното разстояние). При по-големи червени отмествания връзката между червеното отместване z и разстоянието е нелинейна и изисква космологичен модел (например ΛCDM) за правилно преобразуване на z в разстояние.

Важно е да се подчертае:

• Параметърът на Хъбъл H(t) = (1/a)(da/dt) описва скоростта на разширение в даден космичен момент; H0 е неговата стойност днес.
• Рецесионната „скорост“ не е класическа кинематична скорост през пространство — може да бъде по-голяма от скоростта на светлината без нарушение на релативистките принципи, защото причината е разширението на самото пространство.
• Уравнението v = H0D е валидно в линеарния приближителен режим (малки z). При големи z се използват интеграли от вида на светлинния път в разширяващо се пространство и параметрите на космологията.

Единици, обратна стойност и мащаби

H0 обикновено се изразява в (km/s)/Mpc — това дава скорост в km/s за всеки мегапарсек (1 Mpc ≈ 3,09×10^19 km) разстояние. Обратната стойност 1/H0 има размерност на време и се нарича времето на Хъбъл. При приблизително H0 ≈ 70 (km/s)/Mpc стойността в секунди е около 2,2×10^−18 s^−1, а обратната стойност (времето на Хъбъл) е ~4,4×10^17 s ≈ 14 млрд. години — число, което дава груба оценка за възрастта на Вселената в рамките на стандартния космологичен модел. Хъбъл-радиусът c/H0 е друг характерен мащаб (~4.3 Gpc за H0≈70 km/s/Mpc).

Методи за измерване на H0

Измерването на константата на Хъбъл използва различни, независими техники. Някои от основните са:

• Стандартни свещи — пряко градивни стълбове на „космическата стълба за разстоянията“: кепеиди, Type Ia свръхнови и други. Проекти като SH0ES (с ръководител Адам Рийс) използват космическия телескоп Хъбъл за прецизни паралелни наблюдения и получават стойности около 73–74 (km/s)/Mpc (с различни обновления през годините).
• Космичен микровълнов фон (CMB) — изследвания на ранната Вселена (например мисията Planck) извеждат стойности на H0 чрез съвместно приспособяване на параметрите на модела ΛCDM към формата на флуктуациите в CMB; резултатите са по-ниски — около 67 (km/s)/Mpc (Planck 2018: ≈67.4±0.5 km/s/Mpc).
• Барионни акустични осцилации (BAO) — стандартизирани мащаби в големемащабната структура на Вселената, които в комбинация с други данни дават независими оценки.
• Галактични купове — методи, базирани на комбиниране на рентгенови и СЗК (Sunyaev–Zel’dovich) ефекти, дават други стойности (често с по-големи систематични грешки).
• Гравитационно лещиране с времезакъснение (time-delay cosmography) — измерване на времевите забавяния между множество изображения на переменни фонови източници дава независими оценки на H0.
• Мегамасери и геометрични методи — водни мегамасери в наблизо галактики позволяват директно геометрично определяне на разстояния и следователно H0.

Съвременни резултати и „напрежението“ за H0

През последните десетилетия различните методи дават последователни, но статистически несъвместими стойности. Примерни резултати: публикация от 2011 г., използваща нова инфрачервена камера на HST, дава H0 = 73,8 ± 2,4 (km/s)/Mpc; други подходи, използващи галактични купове, са дали около H0 = 67,0 ± 3,2 (km/s)/Mpc. Измервания на CMB (Planck 2018) дават ≈67.4 ± 0.5 (km/s)/Mpc, докато проекти като SH0ES редовно намират стойности около 73–74 (km/s)/Mpc. Тази разлика между „ранни Вселени“ (CMB) и „късни Вселени“ (стандартни свещи и други локални методи) е известна като Hubble tension и в момента представлява едно от важните открити предизвикателства в космологията — разликата достига няколко сигма и може да указва или непълно разбиране на систематичните грешки, или нова физика извън стандартния модел ΛCDM.

Ограничения и често срещани недоразумения

• Думата „константа“ в „константа на Хъбъл“ е малко подвеждаща: H зависи от времето H(t), а H0 е само текущата стойност. В ранната Вселена H(t) е била много по-голяма.
• Използването на v = H0D извисква внимателно разграничение между различните видове разстояния (правилно разстояние, луменово, ънгуларно и пр.).
• „Рецесионна скорост“ не нарушава специалната относителност дори когато изглежда превишава c, защото това не е локална скорост на преминаване през локалното пространство.

Заключение

Законът на Хъбъл-Лематр е ключово наблюдение, което подкрепя идеята за разширяваща се Вселена и е централно за космологичната ни картина. Въпреки това точната стойност на H0 остава предмет на интензивни изследвания и дебати — както поради подобряването на наблюденията и методите, така и поради възможността за нова физика, която да разреши съществуващото „напрежение“ между различните измервания.

Бележка: в текста са запазени оригиналните хипервръзки и техният вид exactly както са били подадени (доплерово отместване - измерена, скорост, галактиките,, пропорционална на, пространство-времето на, Вселена, Големия взрив, Едуин Хъбъл, Жорж Лематр, червените, Използване на правилното разстояние, km/s, времето на Хъбъл, космическия телескоп Хъбъл) и са използвани при описанието, без промяна на техните атрибути.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява законът на Хъбъл?

Въпрос: Кой пръв извежда този закон?

В: Кой потвърди съществуването му?

В: Как е измерена скоростта на рецесия?

В: Кое уравнение изразява този закон?

В: В каква единица обикновено е H0?

Търсене по буква