Путенихин П.В. Радиус наблюдаемой Вселенной и горизонт Вселенной

Дата публикации: 27 февраля 2021
Публикатор: Путенихин П.В.
Рубрика: ВОПРОСЫ НАУКИ ВОПРОСЫ НАУКИ →
Номер публикации: №1614411214 / Жалобы? Ошибка? Выделите проблемный текст и нажмите CTRL+ENTER!

Радиус наблюдаемой Вселенной и горизонт Вселенной

Ознакомительный фрагмент. Полный текст во вложении

Оглавление: http://samlib.ru/p/putenihin_p_w/dс00.shtml

10. Путь света в расширяющейся Вселенной 10.3. Радиус наблюдаемой Вселенной 10.4. Горизонт видимости Вселенной 10.5. Наблюдаемый закон Хаббла

10. Путь света в расширяющейся Вселенной

Одним из основных результатов астрономических наблюдений являются красное смещение и яркость различных объектов во Вселенной. По этим данным определяют расстояние до наблюдаемого объекта и скорость его удаления. В отношении этих наблюдений в литературе часто упоминается обстоятельство, которое обычно формулируется как "взгляд в прошлое". Если некоторая галактика, сверхновая находится на большом удалении, свет от неё движется до Земли какое-то достаточно большое время. В момент получения наблюдателем этого света галактика находится уже на другом, большем удалении, чем в момент вспышки. Возникает закономерный вопрос: что следует принять за "удалённость галактики"?

Очевидны три варианта. Первый вариант – удалённость сверхновой в момент вспышки. Эту удалённость и следует считать действительной, наблюдаемой её удалённостью, хотя и определённую с задержкой во времени.

Вариант второй – удалённость галактики в момент получения света на Земле, то есть, удалённость после увеличения расстояния между сверхновой и Землёй.

Наконец, третий вариант, это видимая, кажущаяся удалённость до точки вспышки в момент получения от неё света. Это весьма интересный вариант, поскольку он учитывает реальную скорость света, связанную с непрерывным расширением пространства. Пусть в момент получения света от сверхновой её реальная физическая удалённость возросла, например, в 2 раза по сравнению с исходной, в момент вспышки. Яркость этой вспышки будет видна на Земле такой, будто сверхновая находится немного ближе, чем эта реальная удалённость.

Самой большой удалённостью является вторая, поскольку за время света в пути пространство между звездой и Землёй все время возрастало. Третья удалённость учитывает время света в пути буквально, поэтому несколько условна, хотя и принимается, что видимая яркость галактики в точности соответствует её удалённости.

В пользу первого варианта удалённости сверхновой свидетельствует то, что фотоны, несущие информацию о ней, своеобразная фотография, удаляются от галактики сразу же после взрыва и становятся полностью независимыми от неё. Если, например, вспышка имеет синий цвет, а после неё, через какое-то время галактика становится красной или вообще гаснет, то на Земле будет получена именно "синяя" фотография. Именно этот поток фотонов и будет нести информацию об удалённости и скорости удаления галактики в момент вспышки. Это самая последняя информация о галактике на текущий момент времени, что особенно отчётливо видно, если галактика находится на горизонте видимости. В этом случае никакая новая информация о галактике после вспышки более не будет доступна.

Вместе с тем яркость вспышки непосредственно не является показателем удалённости галактики в момент её регистрации. Это связано с тем, что в процессе движения фотоны проходят путь меньший, чем окончательная дистанция между звездой и Землёй, в момент их регистрации. Собственно говоря, это довольно очевидно, поскольку в процессе их движения пространство непрерывно возрастает как между потоком фотонов и Землёй, так и между потоком и звездой. В результате и возникает это весьма интересное явление: фактический путь, пройденный фотоном от места вспышки до Земли, будет меньше, чем удалённость галактики от Земли в момент его регистрации. Яркость вспышки сверхновой определяется дистанцией, которую фотоны прошли реально. Эта дистанция, путь является фактически наблюдаемой удалённостью, поэтому на самом деле яркость вспышки с Земли будет видна несколько большей, чем она была бы в случае стационарной Вселенной.

10.3. Радиус наблюдаемой Вселенной

В литературе зачастую приводятся довольно спорные определения радиуса наблюдаемой Вселенной. Предлагаем такой вариант: радиусом наблюдаемой Вселенной следует считать расстояние на момент начала расширения пространства, расстояние до самой дальней галактики, которую мы в принципе можем наблюдать (или наблюдаем) сегодня. Ключевые условия – начало и сегодня. Это означает, что в каждую эпоху этот радиус различный, а сверхдальние галактики, которые мы сегодня пока наблюдать не можем, в более позднее время всё-таки станут для нас видимыми. Принципиальное отличие нашего определения от традиционного (горизонт частиц), как видим, состоит в том, что это исходная удалённость объекта, а не та, на которой он находится в наши дни. Здесь важным является то, что называть наблюдаемой нынешнюю удалённость этого самого удалённого объекта неверно: как он выглядит сегодня, нам не только неизвестно, но и в общем случае не может быть определено никогда.

Для того чтобы вычислить величину радиуса наблюдаемой Вселенной, сформулируем задачу в следующем виде: какой должна быть удалённость сверхновой, чтобы за время существования Вселенной свет от неё достиг Земли. Найти исходную удалённость самой дальней сверхновой, которая может быть видна в наши дни, мы сможем, используя выведенное уравнение (10.4). Для этого сначала вычисляем путь, пройденный светом за время существования Вселенной, затем по этому времени определяем и исходную удалённость сверхновой.

10.4. Горизонт видимости Вселенной

Здесь нам следует внести уточнение понятию горизонта видимости Вселенной и его соотношению с радиусом наблюдаемой Вселенной. Горизонтом видимости Вселенной (в литературе – горизонт событий) следует считать исходное, в начальный момент расширения расстояние до самой дальней галактики, которую мы можем наблюдать в принципе, пусть даже и через бесконечно большое время. Физически горизонтом видимости Вселенной является радиус сферы Хаббла, который определяется параметром Хаббла и изменяется при его изменении.

Рис.10.6.

В момент получения наблюдателем на Земле света от этой галактики она находится уже на существенно большем удалении. Например, рис.10.6, галактика, сверхновая, находившаяся от Земли в момент вспышки на удалении в R₀ = 13,98 млрд. световых лет, в момент её наблюдения с Земли при H₀ = 1/14 будет находиться уже на удалении ~ 13 триллионов световых лет, а увидеть её можно будет лишь через 96 млрд. лет.

Из-за недостаточной детализации на рисунке не видно, что графики R и R_exp пересеклись в точке с координатами 13 трл. световых лет, 96 млрд. лет. На самом деле это, действительно, точка пересечения графиков, в которой график R_exp из области ниже графика R перешёл в область выше него. Скорость удаления галактики от Земли в этот момент превышает 900 скоростей света. Можно догадаться, что при этих же условиях, сверхновая с R₀ = 13,99 будет вообще на невообразимом удалении от Земли, хотя к этому моменту уже и солнечная система прекратит своё существование.

Три вертикальные штриховые линии на рисунке отмечают время наблюдения сверхновых: R₀ = 8,85 наблюдаема ныне, в 14 млрд. лет от начала расширения Вселенной; R₀ = 13,9 будет, соответственно, наблюдаема через 70 млрд. лет; R₀ = 13,98 будет наблюдаема через 96 млрд. лет. Графики движения на рисунке соответствуют этой начальной удалённости сверхновой. Если же галактика находится на удалении R₀ > 14, она никогда не будет наблюдаема с Земли. Красная тонкая штриховая линия Rco показывает, что наблюдения будут соответствовать удалённости сверхновой, равной пути света за время его движения от звезды до Земли. В случае, изображённом на рисунке, это ~ 96 млрд. световых лет. Хотя звезда находится в этот момент на удалении 13 трл. световых лет, видна она удалённой на 96 млрд. световых лет, то есть, в 135 раз ближе.

Связь между радиусом наблюдаемой Вселенной и горизонтом видимости Вселенной заключена в том, что горизонт видимости Вселенной является предельным значением радиуса наблюдаемой Вселенной.

10.5. Наблюдаемый закон Хаббла

Известная, классическая диаграмма Хаббла, связывающая скорость удаления галактики с её удалённостью, является прямой линией, поскольку её уравнением является уравнение прямой: v = rH₀. Однако пары значений (v, r), используемые для построения диаграмм Хаббла, при использовании нашего уравнения (10.3), очевидно, приведут к несколько иному виду диаграмм. При использовании этого уравнения красное смещение или скорость наблюдаемой галактики, сверхновой, очевидно, не меняются, поскольку нигде в алгоритме их коррекция не производилась. Но изменение величины дистанций, понятно, ведёт и к изменению их функциональной связи, изменению формы диаграммы закона Хаббла.

В этой связи следует выделить три варианта диаграмм закона Хаббла: теоретический, наблюдательный и условный, для начальных удалённостей сверхновых. Диаграмма теоретического закона v = Hr по умолчанию не учитывает время в пути света от наблюдаемой галактики, поэтому изначально она строго прямолинейна. Наблюдательный закон использует в теоретическом законе Хаббла наблюдаемые значения дистанций, которые на самом деле, как мы определили, меньше теоретических. Понятно, что диаграмма Хаббла (r, v) в этом случае окажется ниже теоретической диаграммы.

Теоретическая диаграмма закона Хаббла, судя по всему, на самом деле является экстраполяцией, поскольку строится на основании начального участка, по наблюдениям в ближней области Вселенной, в которой разница между теоретической яркостью и видимой практически незаметна. Полученное в этих измерениях значение параметра Хаббла H₀ подставляется в теоретический закон Хаббла. На самом деле реальное, теоретическое значение параметра Хаббла на больших удалённостях должно быть больше экстраполяционного.

Адрес статьи в интернете:

http://samlib.ru/p/putenihin_p_w/accele02.shtml

26.02.2021

Опубликовано 27 февраля 2021 года