Wprowadzenie do teorii. Rozmieszczenie galaktyk w przestrzeni 1 opisuje przestrzenne rozmieszczenie galaktyk we wszechświecie

Jak galaktyki są rozmieszczone w przestrzeni?

Okazało się, że rozkład ten jest wyjątkowo nierównomierny. Większość z nich należy do klastrów. Gromady galaktyk są tak różnorodne pod względem właściwości, jak same galaktyki. Aby choć trochę uporządkować ich opis, astronomowie stworzyli kilka ich klasyfikacji. Jak zawsze w takich przypadkach, żadnej klasyfikacji nie można uznać za kompletną. Dla naszych celów wystarczy powiedzieć, że klastry można podzielić na dwa typy – regularne i nieregularne.

Regularne gromady mają często ogromną masę. Mają kształt kulisty i zawierają dziesiątki tysięcy galaktyk. Z reguły wszystkie te galaktyki są eliptyczne lub soczewkowate. W centrum znajduje się jedna lub dwie gigantyczne galaktyki eliptyczne. Najbliższa nam gromada regularna znajduje się w kierunku konstelacji Coma Bereniki, w odległości około trzystu milionów lat świetlnych i ma średnicę ponad dziesięciu milionów lat świetlnych. Galaktyki w tej gromadzie poruszają się względem siebie z prędkością około tysiąca kilometrów na sekundę.

Gromady nieregularne mają znacznie mniejszą masę. Liczba galaktyk w nich zawartych jest kilkadziesiąt razy mniejsza niż w zwykłych gromadach, a są to galaktyki wszelkiego rodzaju. Ich kształt jest nieregularny, w gromadzie znajdują się oddzielne gromady galaktyk.

Gromady nieregularne mogą być bardzo małe, aż do małych grup składających się z kilku galaktyk.

Niedawno badania estońskich astrofizyków J. Einasto, A. Saara, M. Jõevaera i innych amerykańskich specjalistów P. Peeblesa, O. Gregory'ego, L. Thompsona wykazały, że niejednorodności na największą skalę w rozmieszczeniu galaktyk mają charakter „komórkowy” w Natura. W „ścianach komórek” znajduje się wiele galaktyk i ich gromad, ale wewnątrz panuje pustka. Wymiary komórek wynoszą około 300 milionów lat świetlnych, grubość ścian wynosi 10 milionów lat świetlnych. Duże gromady galaktyk znajdują się w węzłach tej struktury komórkowej. Poszczególne fragmenty komórek

struktury, które nazywam supergromadami. Supergromady często mają bardzo wydłużony kształt, przypominający nitki lub makaron. A jeszcze dalej?

Mamy tu do czynienia z nową sytuacją. Do tej pory spotykaliśmy systemy coraz bardziej złożone: małe systemy tworzące duży system, te duże systemy z kolei łączą się w jeszcze większy i tak dalej. Oznacza to, że Wszechświat przypominał rosyjską lalkę lęgową. Mała laleczka gniazdująca znajduje się w dużej, a ta w jeszcze większej. Okazało się, że istnieje największa lalka gniazdująca we Wszechświecie! Wielkoskalowa struktura w postaci „makaronów” i „komórek” nie jest już składana w większe układy, ale średnio równomiernie wypełnia przestrzeń Wszechświata. Wszechświat w największych skalach (ponad trzysta milionów lat świetlnych) okazuje się identyczny w swoich właściwościach - jednorodny. To bardzo ważna właściwość i jedna z tajemnic Wszechświata. Z jakiegoś powodu w stosunkowo małych skalach występują ogromne skupiska materii - ciała niebieskie i ich układy, coraz bardziej złożone, aż do supergromad galaktyk, ale w bardzo dużych skalach struktura znika. Jak piasek na plaży. Patrząc z bliska widzimy pojedyncze ziarenka piasku, patrząc z dużej odległości i obejmując wzrokiem duży obszar, widzimy jednorodną masę piasku.

Co Wszechświat jest jednorodny, udało mi się wyśledzić odległości dziesięć miliardów lat świetlnych!

Do rozwiązania zagadki jednorodności wrócimy później, ale na razie skupmy się na pytaniu, które zapewne zrodziło się w głowie czytelnika. Jak można mierzyć tak ogromne odległości do galaktyk i ich układów, a także śmiało mówić o ich masach i prędkościach ruchu galaktyk?

Nowikow I.D.

Wśród obiektów o coraz słabszej jasności liczba gwiazd gwałtownie rośnie. Zatem wiadomo, że jasność G. jaśniejsza niż 12 mag wynosi ok. 250, 15 – już ok. 50 tysięcy, a liczba obszarów geograficznych, które może sfotografować 6-metrowy teleskop na granicy jego możliwości, to wiele miliardów. To oznacza środki. oddalenie większości miast.

Pozagalaktyczny astronomia bada rozmiary układów gwiazdowych, ich masy, strukturę, właściwości optyczne, podczerwone i rentgenowskie. i emisję radiową. Badanie przestrzennego rozmieszczenia geologii ujawnia wielkoskalową strukturę Wszechświata (można powiedzieć, że obserwowalną częścią Wszechświata jest świat geologii). W badaniu przestrzennego rozmieszczenia gazów i ścieżek ich ewolucji pozagalaktycznej. astronomia łączy się z kosmologią - nauką o Wszechświecie jako całości.

Jeden z najważniejszych w pozagalaktycznym. w astronomii pozostaje problem określenia odległości do planety. Dzięki temu, że na najbliższych planetach odkryto najjaśniejsze gwiazdy o stałej jasności (nadolbrzymy), możliwe było ustalenie odległości do tych planet. Do jeszcze bardziej odległych planety, na których nie da się rozróżnić nawet nadolbrzymów, odległości szacuje się w inny sposób (patrz).

W 1912 roku Am. astronom V. Slifer odkrył niezwykłą właściwość G.: w widmach odległego G. całe widmo. linie okazały się przesunięte w stronę końca długofalowego (czerwonego) w porównaniu z tymi samymi liniami w widmach źródeł nieruchomych względem obserwatora (tzw. linie). W 1929 roku Am. astronom E. Hubble, porównując odległości do Ziemi i ich przesunięcia ku czerwieni, odkrył, że te ostatnie rosną średnio wprost proporcjonalnie do odległości (patrz). Prawo to dało astronomom skuteczną metodę określania odległości do Ziemi na podstawie ich przesunięcia ku czerwieni. Zmierzono przesunięcia ku czerwieni tysięcy i setek G.

Określenie odległości do gazów i ich położenia na niebie pozwoliło ustalić, że istnieją gazy pojedyncze i podwójne, grupy gazów, ich duże gromady, a nawet chmury gromad (supergromady). Poślubić. odległości między miastami w grupach i klastrach są kilka. setki sztuk; jest to około 10-20 razy większe od największego G. Avg. odległości między grupami gazów, pojedynczymi gazami i systemami wielokrotnymi wynoszą 1-2 Mpc, odległości między klastrami wynoszą dziesiątki Mpc. Zatem gazy wypełniają przestrzeń z większą gęstością względną niż gwiazdy wewnątrzgalaktyczne. przestrzeni kosmicznej (odległości między gwiazdami są średnio 20 milionów razy większe niż ich średnice).

Na podstawie mocy promieniowania G. można podzielić na kilka. klasy jasności. Najszerszy zakres jasności obserwuje się w obiektach eliptycznych. G., w centralnych rejonach niektórych skupisk G. tzw. Galaktyki cD, które są rekordowe pod względem jasności (wielkość bezwzględna - 24 m, jasność ~10 45 erg/s) i masy (). A w naszej Grupie Lokalnej G. znaleziono obiekt eliptyczny. G. niska jasność (wartości bezwzględne od -14 do -6 m, tj. jasność ~10 41 -10 38 erg/s) i masa (10 8 -10 5). W spirali G. odstęp wynosi abs. wielkości gwiazd wahają się od -22 do -14 m, jasności - od 10 44 do 10 41 erg/s, zakres mas 10 12 -10 8. Nieprawidłowe G. w abs. słabsze wielkości - 18 m, ich jasność wynosi 10 43 erg/s, masa .

W centralnym obszarze Galaktyki wciąż trwa proces formowania się młodych gwiazd. Gaz pozbawiony pędu obrotowego opada w kierunku centrum Galaktyki. Tutaj rodzą się gwiazdy sferyczne drugiej generacji. podsystemy tworzące rdzeń Galaktyki. Jednak w jądrze nie ma sprzyjających warunków do powstawania nadolbrzymów, ponieważ gaz rozpada się na małe grudki. W tych rzadkich przypadkach, gdy gaz przenosi moment obrotowy na otoczenie i zostaje sprężony w masywne ciało o masie setek i tysięcy mas Słońca, proces ten nie kończy się pomyślnie: kompresja gazu nie prowadzi do powstania stabilnej gwiazdy , może i występuje. Zapadnięciu towarzyszy wyrzucenie części materii z obszaru galaktycznego. jądra (patrz).

Im masywniejszy jest gaz spiralny, tym silniejsza grawitacja ściska ramiona spiralne, dlatego masywne gazy mają cieńsze ramiona, więcej gwiazd i mniej gazu (powstaje więcej gwiazd). Na przykład w gigantycznej mgławicy M81 widoczne są cienkie ramiona spiralne, natomiast w mgławicy M33, która jest średniej wielkości mgławicą spiralną, ramiona są znacznie szersze.

W zależności od typu gwiazdy spiralne mają również różne tempo powstawania gwiazd. Największą prędkość osiąga typ Sc (ok. 5 rocznie), najmniejszą Sa (ok. 1 rocznie). Wysokie tempo powstawania gwiazd w tej pierwszej jest również najwyraźniej powiązane z dostawą gazu z gwiazd galaktycznych. korona

Eliptyczny układach gwiezdnych ścieżka ewolucyjna powinna być prostsza. Substancja w nich od samego początku nie posiadała znaczącego momentu obrotowego i magnetyzmu. pole. Dlatego kompresja podczas procesu ewolucji nie doprowadziła takich systemów do zauważalnej rotacji i wzmocnienia magnetycznego. pola. Cały gaz w tych układach od samego początku zamienił się w kuliste gwiazdy. podsystemy. Podczas późniejszej ewolucji gwiazdy wyrzuciły gaz, który opadł do środka układu i zaczął tworzyć gwiazdy nowej generacji o tej samej kuli. podsystemy. Szybkość powstawania gwiazd w elipsie. G. powinno być równe szybkości napływu gazu z gwiazd ewolucyjnych, głównie supernowych, od czasu wypływu materii z gwiazd do galaktyk eliptycznych. G. nieistotne. Roczna utrata gazu z gwiazd w ruchu eliptycznym. G. oblicza się na ~0,1 na galaktykę o masie 10 11 . Z obliczeń wynika również, że części środkowe są eliptyczne. Ze względu na obecność młodych gwiazd G. powinna być bardziej niebieska niż peryferyjne obszary G. Jednak nie jest to przestrzegane. Rzecz w tym, co to oznacza. część powstałego gazu do postaci eliptycznej. Gaz jest wydmuchiwany przez gorący wiatr powstający podczas wybuchów supernowych, a w gromadach gazów jest również wydmuchiwany przez dość gęste, gorące powietrze międzygalaktyczne. gazu, niedawno odkrytego za pomocą promieni rentgenowskich. promieniowanie.

Porównując liczbę gwiazd różnych generacji w dużej liczbie gwiazd tego samego typu, można ustalić możliwe ścieżki ich ewolucji. W starszych gwiazdach następuje wyczerpywanie się międzygwiazdowych rezerw gazu, a w rezultacie zmniejszenie tempa powstawania i całkowitej liczby gwiazd nowych generacji. Zawierają jednak wiele supergęstych gwiazd o małych rozmiarach, reprezentujących jeden z ostatnich etapów ewolucji gwiazd. Jest to starzenie się planet. Należy zauważyć, że na początku swojej ewolucji planety najwyraźniej miały większą jasność, ponieważ zawierały masywniejsze młode gwiazdy. Zasadniczo możliwe jest zidentyfikowanie ewolucyjnych zmian w jasności planety poprzez porównanie jasności pobliskich i bardzo odległych planet, z których światło wędruje przez wiele miliardów lat.

Pozagalaktyczny astronomia nie dała jeszcze jednoznacznej odpowiedzi na pytania związane z pojawieniem się gromad gazowych, w szczególności dlaczego w postaci sferycznej. klastry są zdominowane przez eliptyczne. i systemy w kształcie soczewki. Najwyraźniej obłoki kuliste powstały ze stosunkowo małych obłoków gazu, które nie miały pędu obrotowego. klastry z przewagą eliptycznych oraz systemy w kształcie soczewki, które również mają niski moment obrotowy. Z dużych obłoków gazu, które miały znaczący moment obrotowy, powstały gromady gazu, podobne do Supergromady w Pannie. Tutaj było więcej opcji rozkładu momentu obrotowego pomiędzy poszczególnymi skupiskami gazu, z których powstały gazy, dlatego w takich skupiskach częściej występują układy spiralne.

Ewolucja gazu w klastrach i grupach ma wiele cech. Obliczenia wykazały, że podczas zderzeń gazów ich rozszerzone korony gazowe powinny zostać „oderwane” i rozproszone po całej objętości grupy lub gromady. Ta międzygalaktyczna gaz wykryto za pomocą wysokotemperaturowego promieniowania rentgenowskiego. promieniowanie pochodzące od gromad gazów.Ponadto masywne elementy gromad, poruszając się między innymi, tworzą „tarcie dynamiczne”: swoją grawitacją ciągną sąsiednie gazy, ale z kolei ulegają hamowaniu. Najwyraźniej w ten sposób w Lokalnej Grupie Geograficznej powstał Strumień Magellana. Czasami masywne Geografie znajdujące się w centrum gromady nie tylko „odrywają” korony gazowe Geografii przechodzących przez nie, ale także wychwytują „gości” gwiazdy. Zakłada się w szczególności, że galaktyki cD z masywnymi halo utworzyły je w taki „kanibalny” sposób.

Według istniejących obliczeń za 3 miliardy lat nasza Galaktyka również stanie się „kanibalem”: pochłonie zbliżający się do niej Wielki Obłok Magellana.

Równomierny rozkład materii w skali Metagalaktyki determinuje identyczność materii i przestrzeni we wszystkich częściach Metagalaktyki (jednorodność) oraz ich identyczność we wszystkich kierunkach (izotropia). Te ważne właściwości Metagalaktyki są najwyraźniej charakterystyczne dla czasów współczesnych. jednakże w przeszłości, na samym początku ekspansji, mogła istnieć anizotropia i niejednorodność materii i przestrzeni. Poszukiwanie śladów anizotropii i niejednorodności Metagalaktyki w przeszłości jest złożonym i pilnym problemem astronomii pozagalaktycznej, do którego astronomowie dopiero się zbliżają.

Zazwyczaj galaktyki występują w małych grupach składających się z kilkunastu członków, często łącząc się w rozległe gromady składające się z setek i tysięcy galaktyk. Nasza Galaktyka jest częścią tzw. Grupy Lokalnej, w skład której wchodzą trzy gigantyczne galaktyki spiralne (nasza Galaktyka, mgławica Andromedy i mgławica Trójkąt), a także ponad 15 karłowatych galaktyk eliptycznych i nieregularnych, z których największa to Magellan Chmury. Średnio rozmiary gromad galaktyk wynoszą około 3 Mpc. W niektórych przypadkach ich średnica może przekraczać 10-20 Mpc. Dzielą się na gromady otwarte (nieregularne) i kuliste (regularne). Gromady otwarte nie mają regularnego kształtu i mają rozmyte kontury. Znajdujące się w nich galaktyki są bardzo słabo skoncentrowane w kierunku centrum. Przykładem olbrzymiej gromady otwartej jest najbliższa nam gromada galaktyk w konstelacji Panny (241). Na niebie zajmuje około 120 metrów kwadratowych. stopni i zawiera kilka tysięcy, głównie galaktyk spiralnych. Odległość do centrum tego klastra wynosi około 11 Mpc. Gromady galaktyk sferycznych są bardziej zwarte niż gromady otwarte i mają symetrię sferyczną. Ich członkowie są wyraźnie skupieni w kierunku centrum. Przykładem gromady sferycznej jest gromada galaktyk w konstelacji Coma Bereniki, która zawiera wiele galaktyk eliptycznych i soczewkowatych (242). Jego średnica wynosi prawie 12 stopni. Zawiera około 30 000 galaktyk jaśniejszych niż fotograficzna wielkość 19. Odległość do centrum klastra wynosi około 70 Mpc. Wiele bogatych gromad galaktyk jest powiązanych z potężnymi, rozległymi źródłami promieniowania rentgenowskiego, których natura najprawdopodobniej jest związana z obecnością gorącego gazu międzygalaktycznego, podobnego do koron poszczególnych galaktyk. Istnieją podstawy, aby sądzić, że gromady galaktyk z kolei są również nierównomiernie rozmieszczone. Według niektórych badań otaczające nas gromady i grupy galaktyk tworzą wspaniały układ – supergalaktykę. W tym przypadku poszczególne galaktyki najwyraźniej skupiają się w kierunku pewnej płaszczyzny, którą można nazwać płaszczyzną równikową Supergalaktyki. Omawiana właśnie gromada galaktyk w gwiazdozbiorze Panny znajduje się w centrum takiego gigantycznego układu. Masa naszej supergalaktyki powinna wynosić około 1015 mas Słońca, a jej średnica powinna wynosić około 50 Mpc. Jednak rzeczywistość istnienia takich gromad galaktyk drugiego rzędu pozostaje obecnie kontrowersyjna. Jeśli istnieją, to tylko jako słabo wyrażona niejednorodność w rozmieszczeniu galaktyk we Wszechświecie, ponieważ odległości między nimi mogą nieznacznie przekraczać ich rozmiary.

Nasz szybki przegląd zaczniemy od krótkiego omówienia aktualnego stanu Wszechświata (a dokładniej jego obserwowalnej części).

1.2.1. Jednorodność i izotropia

W dużych skalach widoczna część współczesnego Wszechświata jest jednorodna i izotropowa. Rozmiary największych struktur we Wszechświecie - supergromad galaktyk i gigantycznych „pustek” (pustek) - osiągają dziesiątki megaparseków). Wszystkie obszary Wszechświata o wielkości 100 Mpc lub większej wyglądają tak samo (jednorodność), podczas gdy we Wszechświecie nie ma wyróżnionych kierunków (izotropia). Fakty te zostały obecnie potwierdzone w wyniku dogłębnych badań, podczas których zaobserwowano setki tysięcy galaktyk.

Znanych jest ponad 20 supergromad.Grupa Lokalna jest częścią supergromady skupionej w gromadzie w Pannie. Rozmiar supergromady wynosi około 40 Mpc i oprócz gromady Panny obejmuje gromady z konstelacji Hydry i Centaura. Te największe struktury są już bardzo „luźne”: gęstość galaktyk w nich jest tylko 2 razy większa od średniej. Centrum następnej supergromady, znajdującej się w gwiazdozbiorze Coma Bereniki, znajduje się w odległości około stu megaparseków.

Obecnie trwają prace nad opracowaniem największego katalogu galaktyk i kwazarów – katalogu SDSS (Sloan Digital Sky Survey). Opiera się na danych uzyskanych za pomocą 2,5-metrowego teleskopu, zdolnego do jednoczesnego pomiaru widm 640 obiektów w 5 zakresach częstotliwości (długości fali światła $\lambda = 3800-9200 A$, zakres widzialny). Teleskop ten miał mierzyć położenie i jasność ponad dwustu milionów obiektów astronomicznych oraz określać odległości do ponad 10^6$ galaktyk i ponad 10^5$ kwazarów. Całkowity obszar obserwacji wynosił prawie jedną czwartą sfery niebieskiej. Do tej pory przetworzono większość danych eksperymentalnych, co pozwoliło wyznaczyć widma około 675 tysięcy galaktyk i ponad 90 tysięcy kwazarów. Wyniki zilustrowano na ryc. 1.1, który pokazuje wczesne dane SDSS: pozycje 40 tysięcy galaktyk i 4 tysięcy kwazarów odkrytych na obszarze sfery niebieskiej o powierzchni 500 stopni kwadratowych. Gromady galaktyk i puste przestrzenie są wyraźnie widoczne, izotropia i jednorodność Wszechświata zaczyna pojawiać się w skalach rzędu 100 Mpc i większych. Kolor kropki określa rodzaj obiektu. O dominacji tego czy innego typu decydują, ogólnie rzecz biorąc, procesy powstawania i ewolucji struktur – ta asymetria ma charakter czasowy, a nie przestrzenny.

Rzeczywiście, z odległości 1,5 Gpc, która jest maksymalna w rozkładzie jasnych czerwonych galaktyk eliptycznych (czerwone kropki na ryc. 1.1), światło podróżowało do Ziemi przez około 5 miliardów lat. Wtedy Wszechświat był inny (na przykład Układ Słoneczny jeszcze nie istniał).

Ta czasowa ewolucja staje się zauważalna w dużych skalach przestrzennych. Innym powodem wyboru obiektów obserwacyjnych jest obecność progu czułości w instrumentach rejestrujących: na dużych odległościach rejestrowane są tylko jasne obiekty, a najjaśniejszymi, stale emitującymi światło obiektami we Wszechświecie są kwazary.

Ryż. 1.1. Rozkład przestrzenny galaktyk i kwazarów według danych SDSS. Zielone kropki oznaczają wszystkie galaktyki (w danym kącie bryłowym) o jasności przekraczającej określoną wartość. Czerwone kropki wskazują najjaśniejsze galaktyki z odległych gromad, tworzących dość jednorodną populację; w towarzyszącym układzie odniesienia ich widmo jest przesunięte w stronę czerwieni w porównaniu ze zwykłymi galaktykami. Jasnoniebieskie i niebieskie kropki pokazują położenie regularnych kwazarów. Parametr h wynosi około 0,7

1.2.1. Rozszerzenie

Wszechświat się rozszerza: galaktyki oddalają się od siebie (nie dotyczy to oczywiście galaktyk znajdujących się w tej samej gromadzie i połączonych ze sobą grawitacyjnie; mówimy o galaktykach, które są od siebie wystarczająco odległe). Mówiąc obrazowo, przestrzeń, pozostając jednorodna i izotropowa, ulega rozciągnięciu, w wyniku czego zwiększają się wszelkie odległości.

Aby opisać to rozwinięcie, wprowadzono koncepcję współczynnika skali $a(t)$, który rośnie z czasem. Odległość pomiędzy dwoma odległymi obiektami we Wszechświecie jest proporcjonalna do $a(t)$, a gęstość cząstek maleje o $^(-3)$. Tempo ekspansji Wszechświata, tj. względny przyrost odległości w jednostce czasu, charakteryzujący się parametrem Hubble'a $$ H(t)=\frac(\dot(a)(t))(a(t)) $$

Parametr Hubble'a zależy od czasu; dla jego współczesnego znaczenia używamy, jak zwykle, notacji $H_0$.

W związku z ekspansją Wszechświata wzrasta również długość fali fotonu emitowanego w odległej przeszłości. Podobnie jak w przypadku wszystkich odległości, długość fali wzrasta proporcjonalnie do $a(t).$ W rezultacie foton ulega przesunięciu ku czerwieni. Ilościowo przesunięcie ku czerwieni z jest powiązane ze stosunkiem długości fal fotonów w momencie emisji i w momencie absorpcji $$ \frac(\lambda_(abs))(\lambda_(em))=1+z,\, \,\,\,\, \,\,\,\,\,\,\,\,\,\, (1.3) $$ gdzie $_(abs)$ to absorpcja, $_(em)$ to emisja.

Oczywiście stosunek ten zależy od tego, kiedy foton został wyemitowany (zakładając, że jest on dzisiaj zaabsorbowany na Ziemi), tj. na odległość źródła od Ziemi. Przesunięcie ku czerwieni jest wielkością bezpośrednio mierzalną: długość fali w momencie emisji jest zdeterminowana fizyką procesu (np. jest to długość fali fotonu emitowanego podczas przejścia atomu wodoru z pierwszego stanu wzbudzonego do ziemi stan), a $\lambda_(abs)$ jest mierzone bezpośrednio. Zatem identyfikując zestaw linii emisyjnych (lub absorpcyjnych) i określając, jak bardzo są one przesunięte ku czerwieni, można zmierzyć przesunięcie ku czerwieni źródła.

W rzeczywistości identyfikacja odbywa się na kilku liniach jednocześnie, najbardziej charakterystycznych dla obiektów tego czy innego typu (patrz ryc. 1.2). Jeżeli w widmie znajdują się linie absorpcyjne (przerwy, jak w widmach na ryc. 1.2), oznacza to, że obiekt, dla którego wyznacza się przesunięcie ku czerwieni, znajduje się pomiędzy źródłem promieniowania (na przykład kwazarem) a obserwatorem ( Fotony o bardzo specyficznych częstotliwościach ulegają absorpcji rezonansowej na atomach i jonach (po której następuje reemisja izotropowa), co prowadzi do spadków widma natężenia promieniowania w kierunku obserwatora. Jeśli w widmie zostaną wykryte linie emisyjne (szczyty widma), wówczas obiekt sam w sobie jest emiterem.

Ryż. 1.2. Linie absorpcji w widmach odległych galaktyk. Górny wykres przedstawia wyniki pomiarów różnicowego strumienia energii z odległej (z = 2,0841) galaktyki. Linie pionowe wskazują położenie linii absorpcji atomowej, których identyfikacja umożliwiła określenie przesunięcia ku czerwieni galaktyki. W widmach bliższych galaktyk linie te są lepiej rozróżnialne. Wykres widm takich galaktyk, wprowadzonych już do załączonego układu odniesienia z uwzględnieniem przesunięcia ku czerwieni, przedstawiono na dolnym rysunku

Dla $z\ll 1$ obowiązuje prawo Hubble'a $$ z=H_0 r,\,\,\, z\ll 1, \,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \, \,\,\,\, (1.4) $$ gdzie $r$ to odległość do źródła, a $H_0$ to bieżąca wartość parametru Hubble'a. Przy dużym z zależność odległości od przesunięcia ku czerwieni staje się bardziej złożona, co zostanie omówione szczegółowo.

Określenie bezwzględnych odległości do odległych źródeł jest sprawą bardzo trudną. Jedną z metod jest pomiar strumienia fotonów z odległego obiektu, którego jasność jest z góry znana. Takie obiekty w astronomii są czasami nazywane standardowe świece .

Błędy systematyczne w wyznaczaniu $H_0$ nie są zbyt dobrze znane i najwyraźniej są dość duże. Dość zauważyć, że wartość tej stałej, wyznaczona przez samego Hubble'a w 1929 r., wynosiła 550 km/(s · Mpc). Nowoczesne metody pomiaru parametru Hubble'a dają $$ H_0=73_(-3)^(+4)\frac(km)(c\cdot Mpc). \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, (1,5) $$

Wyjaśnijmy znaczenie tradycyjnej jednostki miary parametru Hubble'a występującej w (1.5). Naiwna interpretacja prawa Hubble'a (1.4) jest taka, że ​​przesunięcie ku czerwieni wynika z promieniowego ruchu galaktyk od Ziemi z prędkościami proporcjonalnymi do odległości do galaktyk, $$ v=H_0r,\,\,\, v\ll 1 , \,\,\ ,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, (1.6) $$

Następnie przesunięcie ku czerwieni (1.4) jest interpretowane jako podłużny efekt Dopplera (przy $v\ll c$, tj. $v\ll 1$ w jednostkach naturalnych, przesunięcie Dopplera $z=v$). W związku z tym parametrowi Hubble'a $H_0$ przypisany jest wymiar [prędkość/odległość]. Podkreślamy, że interpretacja kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni w kategoriach efektu Dopplera nie jest konieczna, a w niektórych przypadkach jest niewystarczająca. Najwłaściwsze jest użycie relacji (1.4) w takiej formie, w jakiej jest zapisana. Wielkość $H_0$ tradycyjnie parametryzuje się następująco: $$ H_0=h\cdot 100\frac(km)(c\cdot Mpc), $$ gdzie h jest bezwymiarową wielkością rzędu jedności (patrz (1.5)) , $$ h= 0,73_(-0,03)^(+0,04) $$ W dalszych szacunkach będziemy używać wartości $h = 0,7$.

Ryż. 1.3. Diagram Hubble'a skonstruowany na podstawie obserwacji odległych cefeid. Linia ciągła przedstawia prawo Hubble'a z parametrem $H_0$ = 75 km/(s · Mpc) wyznaczonym w wyniku tych obserwacji. Linie przerywane odpowiadają błędom eksperymentalnym wartości stałej Hubble'a

Do pomiaru parametru Hubble'a tradycyjnie wykorzystuje się cefeidy jako świece standardowe - gwiazdy zmienne, których zmienność w znany sposób jest powiązana z jasnością. Powiązanie to można odkryć badając cefeidy w niektórych zwartych formacjach gwiazd, na przykład w Obłokach Magellana. Ponieważ odległości do wszystkich cefeid w ramach jednej zwartej formacji można z dużą dokładnością uznać za identyczne, stosunek obserwowanych jasności takich obiektów jest dokładnie równy stosunkowi ich jasności. Okres pulsacji cefeid może wynosić od jednego dnia do kilkudziesięciu dni, w tym czasie jasność zmienia się kilkukrotnie. W wyniku obserwacji skonstruowano zależność jasności od okresu pulsacji: im jaśniejsza gwiazda, tym dłuższy okres pulsacji.

Cefeidy - olbrzymy i nadolbrzymy, dzięki czemu można je obserwować daleko poza granicami Galaktyki. Po zbadaniu widma odległych cefeid wyznacza się przesunięcie ku czerwieni, korzystając ze wzoru (1.3), a badając ewolucję w czasie, określa się okres pulsacji jasności. Następnie, korzystając ze znanej zależności zmienności od jasności, wyznacza się jasność bezwzględną obiektu, a następnie oblicza odległość do obiektu, po czym ze wzoru (1.4) otrzymuje się wartość parametru Hubble'a. Na ryc. Rysunek 1.3 przedstawia otrzymaną w ten sposób aperturę Hubble'a - zależność przesunięcia ku czerwieni od odległości.

Oprócz cefeid istnieją inne jasne obiekty używane jako świece standardowe, takie jak supernowe typu 1a.

1.2.3. Czas życia Wszechświata i wielkość jego obserwowalnej części

Parametr Hubble'a ma w rzeczywistości wymiar $$, więc współczesny Wszechświat charakteryzuje się skalą czasu $$ H_0^(-1)=\frac 1h\cdot \frac(1)(100)\frac(km)( c\cdot Mpc)=\ frac 1h\cdot 3\cdot 10^(17)c=\frac 1h\cdot 10^(10)\około 1,4\cdot 10^(10) rok. $$ i kosmologiczna skala odległości $$ H_0^(-1)=\frac 1h\cdot 3000 Mpc \około 4,3\cdot 10^3 Mpc. $$

Z grubsza rzecz biorąc, wielkość Wszechświata podwoi się za około 10 miliardów lat; galaktyki znajdujące się w odległości około 3000 Mpc od nas oddalają się od nas z prędkościami porównywalnymi z prędkością światła. Zobaczymy, że czas $H_0^(-1)$ pokrywa się w rzędzie wielkości z wiekiem Wszechświata, a odległość $H_0^(-1)$ pokrywa się z rozmiarem widocznej części Wszechświata. W przyszłości doprecyzujemy nasze wyobrażenia o wieku Wszechświata i wielkości jego widocznej części. Tutaj zauważamy, że prosta ekstrapolacja ewolucji Wszechświata w przeszłość (zgodnie z równaniami klasycznej ogólnej teorii względności) prowadzi do idei momentu Wielkiego Wybuchu, od którego rozpoczęła się klasyczna ewolucja kosmologiczna; wówczas czas życia Wszechświata to czas, jaki upłynął od Wielkiego Wybuchu, a wielkość widocznej części (wielkość horyzontu) to odległość, jaką przebyły od Wielkiego Wybuchu sygnały poruszające się z prędkością światła. Co więcej, rozmiar całego Wszechświata znacznie przekracza rozmiar horyzontu; w klasycznej ogólnej teorii względności rozmiar przestrzenny Wszechświata może być nieskończony.

Niezależnie od danych kosmologicznych, istnieją obserwacyjne dolne granice wieku Wszechświata $t_0$. Różne niezależne metody prowadzą do zamknięcia granic na poziomie $t_0\gtrsim 14$ miliardów lat $=1,4\cdot 10^(10)$.

Jedną z metod uzyskiwania tego ostatniego ograniczenia jest pomiar rozkładu jasności białych karłów. Białe karły, zwarte gwiazdy o dużej gęstości i masie w przybliżeniu równej masie Słońca, stopniowo przygasają w wyniku chłodzenia przez promieniowanie. W Galaktyce znajdują się białe karły o różnej jasności, ale począwszy od pewnej małej jasności liczba białych karłów gwałtownie spada, a spadek ten nie jest związany z czułością sprzętu obserwacyjnego. Wyjaśnienie jest takie, że nawet najstarsze białe karły nie ostygły jeszcze na tyle, aby stać się tak słabe. Czas chłodzenia można określić, badając bilans energii podczas stygnięcia gwiazdy. Ten czas chłodzenia – wiek najstarszych białych karłów – stanowi dolną granicę czasu życia Galaktyki, a tym samym całego Wszechświata.

Wśród innych metod zwracamy uwagę na badanie zasobności pierwiastków promieniotwórczych w skorupie ziemskiej i w meteorytach, porównanie krzywej ewolucji gwiazd ciągu głównego na diagramie Hertzsprunga-Russella („jasność - temperatura” lub „jasność - kolor” ) z liczebnością najstarszych gwiazd w gromadach kulistych zubożonych w metale ( Gromady kuliste to struktury wewnątrzgalaktyczne o średnicy około 30 pc, obejmujące setki tysięcy, a nawet miliony gwiazd. Termin „metale” w astrofizyce odnosi się do wszystkich pierwiastków cięższych od helu.), badając stan procesów relaksacji w gromadach gwiazd, mierząc obfitość gorącego gazu w gromadach galaktyk.

1.2.4. Płaskość przestrzenna

Jednorodność i izotropia Wszechświata nie oznacza, ogólnie rzecz biorąc, że w ustalonym momencie przestrzeń trójwymiarowa jest trójwymiarową płaszczyzną (trójwymiarową przestrzenią euklidesową), czyli że Wszechświat ma zerową krzywiznę przestrzenną. Wraz z 3-płaszczyzną, 3-sfera (dodatnia krzywizna przestrzenna) i 3-hiperboloida (ujemna krzywizna) są jednorodne i izotropowe. Zasadniczym rezultatem obserwacji ostatnich lat było ustalenie, że przestrzenna krzywizna Wszechświata, jeśli jest różna od zera, jest niewielka. Do tego stwierdzenia będziemy wielokrotnie wracać, zarówno po to, aby sformułować je na poziomie ilościowym, jak i po to, aby nakreślić, jakie dane wskazują na przestrzenną płaskość Wszechświata. Tutaj wystarczy powiedzieć, że wynik ten uzyskano z pomiarów anizotropii kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła i na poziomie jakościowym sprowadza się on do tego, że promień krzywizny przestrzennej Wszechświata jest zauważalnie większy niż rozmiar jego obserwowalna część, tj. zauważalnie więcej niż $H_0^(-1)$.

Zauważamy również, że dane dotyczące anizotropii kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła są zgodne z założeniem trywialnej topologii przestrzennej. Zatem w przypadku zwartej trójwymiarowej rozmaitości o charakterystycznych rozmiarach rzędu wielkości Hubble'a, na sferze niebieskiej można by zaobserwować okręgi o podobnym wzorze anizotropii promieniowania reliktowego - przecięcie sfery ostatnie rozproszenie fotonów pozostałych po rekombinacji (powstaniu atomów wodoru) z obrazami tej sfery wynikającymi z działania ruchów różnorodności grupowej. Gdyby przestrzeń miała np. topologię torusa, wówczas na sferze niebieskiej można byłoby zaobserwować parę takich okręgów o diametralnie przeciwnych kierunkach. Promieniowanie CMB nie wykazuje takich właściwości.

1.2.5. „Ciepły” Wszechświat

Współczesny Wszechświat wypełniony jest gazem nieoddziałujących ze sobą fotonów – promieniowaniem reliktowym przewidywanym przez teorię Wielkiego Wybuchu i odkrytym eksperymentalnie w 1964 roku. Gęstość fotonów reliktowych wynosi około 400 na centymetr sześcienny. Rozkład energii fotonów ma termiczne widmo Plancka (ryc. 1.4), charakteryzujące się temperaturą $$ T_0=2,725 \pm 0,001 K \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \,\ ,\,\, (1,7) $$ (wg analizy). Temperatura fotonów pochodzących z różnych kierunków na sferze niebieskiej jest taka sama i wynosi około 10^(-4)$; jest to kolejny dowód na jednorodność i izotropię Wszechświata.

Ryż. 1.4. Pomiary widma kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła. Dane zostały zebrane w . Kropkowana krzywa przedstawia widmo Plancka (widmo ciała doskonale czarnego). Z ostatniej analizy wynika wartość temperatury (1,7), a nie T = 2,726 K, jak na rysunku

Ryż. 1,5. Dane WMAP: anizotropia kątowa kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, czyli zależność temperatury fotonów od kierunku ich przybycia. Odejmuje się średnią temperaturę fotonu i składową dipolową (1,8); przedstawione wahania temperatury są na poziomie $\delta T \sim 100\mu K$ $\delta T/T_0\sim 10^(-4)-10^(-5)$

Jednocześnie ustalono eksperymentalnie, że temperatura ta nadal zależy od kierunku na sferze niebieskiej. Anizotropia kątowa temperatury fotonów reliktowych jest obecnie dobrze zmierzona (patrz rys. 1.5) i, z grubsza rzecz biorąc, jest rzędu $\delta T/T_0\sim 10^(-4)-10^(-5) $. Fakt, że widmo jest planckowskie we wszystkich kierunkach, jest kontrolowany poprzez wykonywanie pomiarów przy różnych częstotliwościach.

Do anizotropii (i polaryzacji) kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła będziemy wielokrotnie wracać, ponieważ z jednej strony niesie ono najcenniejsze informacje o wczesnym i współczesnym Wszechświecie, a z drugiej strony jego pomiar jest możliwy przy dużych dokładność.

Zauważmy, że obecność kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła pozwala na wprowadzenie we Wszechświecie wybranego układu odniesienia: jest to układ odniesienia, w którym znajduje się gaz reliktowych fotonów. Układ Słoneczny porusza się względem kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła w kierunku konstelacji Hydry. Prędkość tego ruchu określa wielkość składowej dipolowej anizotropii $$ \delta T_(dipol)=3,346 mK \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\ ,\,\, (1.8) $$

Współczesny Wszechświat jest przezroczysty dla fotonów reliktowych ( W rzeczywistości „przezroczystość” różnych części Wszechświata jest różna. Na przykład gorący gaz ($T\sim 10$ keV) w gromadach galaktyk rozprasza fotony reliktowe, które w ten sposób uzyskują dodatkową energię. Proces ten prowadzi do „ogrzewania” fotonów reliktowych – efektu Zeldowicza-Sunyaeva. Wielkość tego efektu jest niewielka, ale dość zauważalna przy użyciu nowoczesnych metod obserwacji.): dzisiaj ich średnia swobodna droga jest duża w porównaniu do wielkości horyzontu $H_0^(-1)$. Nie zawsze tak było: we wczesnym Wszechświecie fotony intensywnie oddziaływały z materią.

Ponieważ temperatura kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła $T$ zależy od kierunku $\vec(n)$ na sferze niebieskiej, do badania tej zależności wygodnie jest skorzystać z rozwinięcia w funkcjach sferycznych (harmonicznych) $Y_(lm) (\textbf(n))$ tworzące pełny zbiór funkcji bazowych na kuli. Przez wahania temperatury $\delta T$ w kierunku $\vec(n)$ rozumiemy różnicę $$ \delta T(\textbf(n))\equiv T(\textbf(n)) -T_0-\delta T_ (dipol) =\suma_(l,m)a_(l,m)Y_(l,m)(\textbf(n)), $$ gdzie dla współczynników $a_(l,m)$ relacja $a^ *_(l ,m)=(-1)^m a_(l,-m)$, co jest konieczną konsekwencją realności temperatury. Momenty kątowe $l$ odpowiadają fluktuacjom o typowej skali kątowej $\pi /l$. Istniejące obserwacje umożliwiają badanie różnych skal kątowych, od największych do skal mniejszych niż 0,1° ($l\sim 1000$, patrz rys. 1.6).

Ryż. 1.6. Wyniki pomiarów anizotropii kątowej kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła metodą różnych eksperymentów. Krzywą teoretyczną otrzymano w ramach modelu $\Lambda$CDM.

Dane obserwacyjne są zgodne z faktem, że wahania temperatury $\delta T(\textbf(n))$ reprezentują losowe pole Gaussa, tj. współczynniki $a_(l,m)$ są statystycznie niezależne dla różnych $l$ i $m$, $$ \langle a_(l,m) a_(l",m")^*\rangle = C_(lm) \cdot \delta_(ll")\delta_(mm"), \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, (1.9) $$ gdzie w nawiasach kątowych oznaczają uśrednianie dla zespołu wszechświatów podobnych do naszego. Współczynniki $C_(lm)$ w izotropowym Wszechświecie nie zależą od m, $C_(lm)=C_(l)$ i określają korelację pomiędzy wahaniami temperatury w różnych kierunkach: $$ \langle \delta T(\ textbf(n) _1)\delta T(\textbf(n)_2) \rangle = \sum_l \frac(2l+1)(4\pi)C_lP_l(\cos\theta), $$ gdzie $P_l$ to Legendre wielomiany zależne tylko od kąta $\theta$ pomiędzy wektorami $\textbf(n)_1$ i $\textbf(n)_2$. W szczególności dla średniokwadratowej fluktuacji otrzymujemy: $$ \langle \delta T^2\rangle = \sum_l \frac(2l+1)(4\pi)C_l\około \int \frac(l(l+1) ))( 2\pi)C_ld\ln l. $$

Zatem wartość $\frac(l(l+1))(2\pi)C_l$ charakteryzuje całkowity udział pędów kątowych tego samego rzędu. Wyniki pomiaru tej konkretnej wartości pokazano na rys. 1.6.

Należy zauważyć, że pomiar anizotropii kątowej KMPT daje nie tylko jedną zmierzoną eksperymentalnie liczbę, ale cały zestaw danych, tj. wartości $C_l$ dla różnych $l$. Zbiór ten jest zdeterminowany szeregiem parametrów wczesnego i współczesnego Wszechświata, zatem jego pomiar dostarcza wielu informacji kosmologicznych.

Gdzie H¾ Stała Hubble'a. W relacji (6.12) V wyrażone w km/s, A r¾ V Mps.

To prawo nazywało się Prawo Hubble’a . Stała Hubble'a jest obecnie akceptowane jako równe H = 72 km/(s∙Mpc).

Prawo Hubble'a pozwala nam to powiedzieć Wszechświat się rozszerza. Nie oznacza to jednak wcale, że nasza Galaktyka jest centrum, z którego następuje ekspansja. Obserwator w dowolnym miejscu Wszechświata zobaczy ten sam obraz: wszystkie galaktyki mają przesunięcie ku czerwieni proporcjonalne do ich odległości. Dlatego czasami mówią, że sama przestrzeń się rozszerza. Należy to oczywiście rozumieć warunkowo: galaktyki, gwiazdy, planety, a ty i ja nie rozszerzamy się.

Znając wartość przesunięcia ku czerwieni np. dla galaktyki, możemy z dużą dokładnością wyznaczyć do niej odległość korzystając z zależności na efekt Dopplera (6.3) i prawo Hubble'a. Ale dla z 3 0,1 zwykły wzór Dopplera nie ma już zastosowania. W takich przypadkach należy skorzystać ze wzoru ze szczególnej teorii względności:

Galaktyki bardzo rzadko są pojedyncze. Zazwyczaj galaktyki występują w małych grupach składających się z kilkunastu członków, często łącząc się w rozległe gromady składające się z setek i tysięcy galaktyk. Nasza Galaktyka wchodzi w skład tzw Grupa lokalna, który obejmuje trzy gigantyczne galaktyki spiralne (nasza Galaktyka, mgławica Andromedy i galaktyka w konstelacji Trójkąta), a także kilkadziesiąt karłowatych galaktyk eliptycznych i nieregularnych, z których największa ma kilka megaparseków . Dzielą się na nieregularny I regularny klastry. Grona nieregularne nie mają regularnego kształtu i mają rozmyte kontury. Galaktyki to Obłoki Magellana.

Średnio rozmiary gromad galowych w nich są bardzo słabo skoncentrowane w kierunku centrum. Przykładem gigantycznej gromady otwartej jest najbliższa nam gromada galaktyk w gwiazdozbiorze Panny. Na niebie zajmuje około 120 metrów kwadratowych. stopni i zawiera kilka tysięcy, głównie galaktyk spiralnych. Odległość do centrum tej gromady wynosi około 15 Mps.

Regularne gromady galaktyk są bardziej zwarte i symetryczne. Ich członkowie są wyraźnie skupieni w kierunku centrum. Przykładem gromady sferycznej jest gromada galaktyk w konstelacji Coma Bereniki, która zawiera wiele galaktyk eliptycznych i soczewkowatych. Zawiera około 30 000 galaktyk jaśniejszych niż fotograficzna wielkość 19. Odległość do centrum gromady wynosi około 100 Mps.

Wiele gromad zawierających dużą liczbę galaktyk jest powiązanych z potężnymi, rozległymi źródłami promieniowania rentgenowskiego.

Istnieją podstawy, aby sądzić, że gromady galaktyk z kolei są również nierównomiernie rozmieszczone. Według niektórych badań gromady i grupy otaczających nas galaktyk tworzą wspaniały układ - Supergalaktyka Lub Lokalna supergromada. W tym przypadku poszczególne galaktyki najwyraźniej skupiają się w kierunku pewnej płaszczyzny, którą można nazwać płaszczyzną równikową Supergalaktyki. Omawiana właśnie gromada galaktyk w gwiazdozbiorze Panny znajduje się w centrum takiego gigantycznego układu. Gromada w Warkoczu jest centrum innej, sąsiadującej supergromady.

Obserwowalna część Wszechświata jest zwykle nazywana Metagalaktyka . Metagalaktyka składa się z różnych obserwowalnych elementów strukturalnych: galaktyk, gwiazd, supernowych, kwazarów itp. Wymiary Metagalaktyki są ograniczone naszymi możliwościami obserwacyjnymi i obecnie są akceptowane jako równe 10 26 m. Oczywiste jest, że koncepcja wielkości Wszechświata jest bardzo arbitralna: prawdziwy Wszechświat jest nieograniczony i nigdzie się nie kończy.

Długoterminowe badania metagalaktyki ujawniły dwie główne właściwości, które ją tworzą podstawowy postulat kosmologiczny:

1. Metagalaktyka jest jednorodna i izotropowa w dużych objętościach.

2. Metagalaktyka nie jest stacjonarna.