Сергей Парновский - Как работает Вселенная - Введение в современную космологию

На рис. 2.10 показана зависимость красного смещения от времени. Как и постоянная Хаббла, красное смещение бесконечно при Большом взрыве.

На рис. 2.11 показано, как изменились с течением времени параметры плотности материи и темной энергии для плоской ΛCDM-модели. Так как их сумма в данном случае равна единице, этот график можно также рассматривать как изменение со временем массовой доли двух главных компонентов Вселенной.

Вопрос: В какую сторону изменяется постоянная Хаббла?

Ответ: Если бы не существовало космологической постоянной, то постоянная Хаббла непрерывно бы уменьшалась, как это получается из решения Фридмана. Если бы во Вселенной не было материи, но существовала космологическая постоянная, то, как следует из решения, полученного Виллемом де Ситтером в 1917 г., постоянная Хаббла была бы действительно постоянной. В реальной Вселенной, где присутствуют и материя, и космологическая постоянная, постоянная Хаббла уменьшается, но не достигнет нулевого значения.

Вопрос: Если галактики разбегаются из-за расширения Вселенной, почему мы не наблюдаем расширение пространства в пределах Солнечной системы?

Ответ: Приведем простую оценку. Критическая плотность Вселенной соответствует концентрации порядка 5 нуклон/м3, в то время как концентрация самого разреженного объекта Солнечной системы – солнечного ветра – на орбите Земли составляет в среднем около 8 нуклон/см3, что более чем в миллион раз больше. А между тем эта плотность является сверхглубоким вакуумом, недостижимым в лабораторных условиях. Средняя же плотность вещества в Солнечной системе на много порядков больше. Понятно, что влияние космологического расширения просто теряется на фоне колоссальных сил взаимного притяжения, действующих в Солнечной системе. Строго говоря, согласно оценкам, сделанным в 1998 г. Фредом Куперстоком с коллегами, влияние космологического расширения привело к тому, что за время существования Солнечной системы радиус орбиты Земли увеличился на 10–24 долю, т. е. на 150 фм, что меньше размера атома водорода.

Значение параметра Хаббла, полученное самим Хабблом, составляло около 500 (км/с)/Мпк, что примерно в 7 раз больше современной оценки. Ошибка была связана с неправильным определением расстояний до галактик. Дело в том, что расстояния в астрономии определяются довольно сложным образом. Нередко мы куда точнее знаем отношение расстояний до объектов, чем их абсолютные значения. Так, из закона Кеплера можно с большой точностью получить отношение диаметров орбит разных планет Солнечной системы. Однако для определения абсолютных величин нужно измерить расстояние до Солнца хотя бы одной планеты, например Земли. Поэтому астрономы ввели специальную единицу измерения расстояния, называемую астрономической единицей (а.е.), которая равна среднему расстоянию от Земли до Солнца. Через нее выражается парсек. В то время астрономы знали диаметры орбит планет Солнечной системы в астрономических единицах с куда большей точностью, чем значение самой астрономической единицы. Уточняя значение астрономической единицы (современная оценка 1 а.е. = 149 97 870,7 км), астрономы одновременно уточняли и абсолютные расстояния. Для внегалактической астрономии роль «линейки» играли расстояния, полученные по периодам изменения особого класса переменных звезд, называемых цефеидами. Именно они и использовались Хабблом для определения расстояния до галактик. Однако в то время было неизвестно, что существует несколько разных типов цефеид, причем цефеиды, наблюдавшиеся в других галактиках, были другого типа, чем те, которые использовались для определения масштаба расстояний в нашей Галактике. В результате оценки возраста Вселенной, основанные на значении постоянной Хаббла, полученной им самим, составляли всего пару миллиардов лет, что было меньше возраста некоторых геологических пород на Земле.

Отметим, что не стоит применять закон Хаббла v = Hr для объектов, находящихся на больших расстояниях. Дело в том, что из-за кривизны пространства и ряда других факторов понятия расстояния и скорости становятся не столь очевидными, как в плоском пространстве. В частности, вводятся несколько видов расстояний, которые мало отличаются для близких объектов, но могут существенно отличаться для далеких. А разным расстояниям соответствуют разные скорости.