Скорость, с которой Вселенная расширяется, сильно изменилась за 13,8 миллиарда лет. Так почему же мы называем ее постоянной Хаббла?
Вселенная - это огромное место, заполненное звездами и галактиками на миллиарды световых лет во всех направлениях. С момента Большого взрыва свет исходил от каждого источника, создавшего его, и крошечная часть его в конечном итоге достигала наших глаз. Но свет не просто распространяется в пространстве между тем местом, где он излучается, и тем, где мы находимся сегодня; сама ткань пространства расширяется.
Чем дальше находится галактика, тем больше расширяется пространство - и, следовательно, краснее смещение - свет, который в конечном итоге достигнет наших глаз. По мере того, как мы смотрим на все большие и большие расстояния, мы видим увеличивающееся красное смещение. Если мы проследим, как эта кажущаяся скорость рецессии зависит от расстояния, мы получим хорошую прямолинейную зависимость: закон Хаббла. Но наклон этой линии, известный как постоянная Хаббла, на самом деле вовсе не константа. Это одно из самых больших заблуждений во всей астрономии.
Есть два способа понимания расширения Вселенной: теоретический и наблюдательный. Когда мы смотрим на Вселенную, мы видим ряд важных фактов о расширении:
- Вселенная расширяется с одинаковой скоростью во всех направлениях,
- чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас,
- и что это верно только в среднем.
Когда мы смотрим на отдельные галактики, мы видим большие расхождения в их фактических скоростях, и это происходит из-за гравитационного взаимодействия всего остального во Вселенной.
Но это не непреодолимая проблема. Вселенная - это не то место, где у нас есть только несколько галактик, красное смещение и расстояние до которых мы можем измерить; мы сделали это буквально для миллионов галактик. Когда мы находим огромное количество галактик, мы можем сделать то, что называется «объединить» их вместе, когда мы возьмем галактики в определенном диапазоне расстояний и усредним их вместе, вычислив для них среднее красное смещение. Делая это, мы находим то прямолинейное соотношение, которое определяет закон Хаббла.
А вот и сюрприз. Если мы посмотрим на достаточно большие расстояния, мы увидим, что скорость расширения больше не следует этому прямолинейному закону, а скорее изгибается.
Когда мы используем такой термин, как «постоянная Хаббла», мы говорим о наклоне этой линии. Если это не линия - т. е. если наклон изменяется - , это говорит нам о том, что скорость хаббловского расширения Вселенной в конце концов не является постоянной величиной! Причина, по которой мы называем ее постоянной Хаббла, заключается в том, что Вселенная расширяется с одинаковой скоростью в любом месте Вселенной: постоянная Хаббла постоянна во всем пространстве.
Но скорость расширения и, следовательно, значение постоянной Хаббла со временем меняется. Это не головоломка, а именно то, что мы ожидаем. Чтобы понять это, давайте посмотрим на это с другой точки зрения: теоретически.
Первое уравнение Фридмана - это то, к чему вы придете, если начнете с Вселенной, которая равномерно заполнена материей, излучением и любыми другими формами энергии, которые вам нужны. Единственные предположения заключаются в том, что Вселенная изотропна (одинакова во всех направлениях), однородна (с одинаковой средней плотностью везде) и подчиняется Общей теории относительности. Если вы допустите это, вы получите связь между H, скоростью Хаббла (слева) и всеми различными формами материи и энергии во Вселенной (справа).
Интересно, что по мере расширения вашей Вселенной плотность материи, излучения и энергии может изменяться. Например, когда ваша Вселенная расширяется, ее объем увеличивается, но общее количество частиц в вашей Вселенной остается прежним. Это означает, что в расширяющейся Вселенной для:
- материя, ее плотность падает как a^ -3,
- излучение, его плотность падает как a^ -4,
- а для темной энергии ее плотность остается постоянной, изменяясь как ⁰,
где a - масштабный коэффициент (прокси для расстояния или радиуса) Вселенной. С течением времени а растет, и поэтому разные компоненты Вселенной становятся более или менее важными по отношению друг к другу.
Вселенная с большей общей плотностью энергии имеет большую скорость расширения. Наоборот, тот, у кого плотность энергии меньше, имеет меньшую скорость расширения. По мере старения Вселенная расширяется; по мере его расширения материя и излучение внутри него становятся менее плотными; по мере того, как он становится менее плотным, скорость расширения падает. Скорость расширения в любой момент времени определяет значение постоянной Хаббла. В далеком прошлом скорость расширения была намного больше, а сегодня она самая маленькая из когда-либо существовавших.
Так почему же тогда, вы можете задаться вопросом, очень далекие галактики, которые мы наблюдаем, следуют прямолинейному соотношению? Это потому, что всему свету, попадающему в наши глаза, от света, испускаемого соседней галактикой, до света, испускаемого галактикой, находящейся за миллиарды световых лет от нас, всего 13,8 миллиарда лет, когда он доходит до нас. Возраст всего во Вселенной, к тому времени, когда он достигает нас сегодня, пережил ту же постоянно меняющуюся Вселенную, что и мы. Постоянная Хаббла была выше в далеком прошлом, когда излучалась большая часть света, но потребовались миллиарды лет, чтобы этот свет достиг наших глаз.
За это время Вселенная расширилась, а это означает, что длина волны этого света увеличилась. Только за последние 6 миллиардов лет или около того темная энергия стала важной, и сейчас мы достигли того времени, когда она быстро становится единственным компонентом Вселенной, влияющим на скорость нашего расширения. Если мы вернемся к тому времени, когда Вселенная была вдвое моложе нынешнего, скорость расширения была на 80% больше, чем сегодня. Когда возраст Вселенной составлял всего 10% от нынешнего, скорость расширения была в 17 раз больше, чем сейчас.
Но когда возраст Вселенной возрастет в 10 раз, скорость расширения будет всего на 18% меньше, чем сегодня.
Это связано с присутствием темной энергии, которая ведет себя как космологическая постоянная. В далеком будущем и материя, и излучение станут относительно незначительными по сравнению с темной энергией, а это означает, что плотность энергии во Вселенной останется постоянной. В этих условиях скорость расширения достигнет устойчивого конечного значения и останется на этом уровне. По мере продвижения в далекое будущее постоянная Хаббла станет постоянной не только в пространстве, но и во времени.
В далеком будущем, измеряя скорость и расстояние до всех видимых объектов, мы получим везде одинаковый наклон этой линии. Постоянная Хаббла действительно станет постоянной.
Если бы астрономы были более осторожны в своих словах, они назвали бы H параметром Хаббла, а не постоянной Хаббла, так как она меняется со временем. Но на протяжении поколений единственные расстояния, которые мы могли измерить, были достаточно малы, чтобы H казалось постоянным, и мы никогда не обновляли это. Вместо этого мы должны быть осторожны, чтобы отметить, что H является функцией времени, и только сегодня - , где мы называем его H_ 0 - , является константой. На самом деле параметр Хаббла меняется со временем, и он остается постоянным повсюду в пространстве. Тем не менее, если бы мы жили достаточно далеко в будущем, мы бы увидели, что H полностью перестает меняться. Как бы тщательно мы ни проводили различие между тем, что на самом деле постоянно, и тем, что меняется сейчас, в далеком будущем, темная энергия гарантирует, что разницы вообще не будет.