[вернуться к содержанию сайта]
В этой книге мы рассматриваем вопрос о форме закона красного смещения с чисто наблюдательной точки зрения. Это означает, что мы до сих пор не делали никаких конкретных гипотез о физической природе этого ещё не объяснённого явления.
В настоящее время неизвестно, какова истинная форма закона красного смещения. Теоретически решить вопрос о математической форме этого закона станет возможно лишь тогда, когда будет решён вопрос о его физической сущности. Эта форма может оказаться как линейной, так и нелинейной. Предположим, что в действительности она строго линейная. Тогда, в силу фотометрических и колориметрических эффектов самого явления красного смещения, наблюдаемая форма этого закона, начиная с некоторого расстояния, будет более или менее заметно отклоняться от строгой линейности. Наоборот, при строгой линейности наблюдаемой формы закона красного смещения его истинный вид, ввиду неизбежного отягощения наблюдений хотя бы одними фотометрическими и колориметрическими эффектами, должен быть нелинейным.
По вопросу о природе красного смещения были высказаны две основные точки зрения.
Согласно одной из них красное смещение галактик не является результатом их реального взаимного удаления, а представляет собой следствие некоторых процессов, неизвестных земной физике. Например, некоторыми авторами указывалось, что лишь в пространственных масштабах Метагалактики могут быть замечены предполагаемые ими явления: а) вековое изменение абсолютной длительности единицы времени; б) вековое изменение абсолютной величины скорости света; в) вековое изменение энергии фотонов (“старение фотонов”).
Закон Хаббла-де Ситтера имеет вид
dr/dt=cЕ'r. (18.15)
Поэтому его можно, в частности, толковать либо как следствие изменения абсолютной длительности единицы времени, поскольку время входит в знаменатель левой части (18.15), либо как следствие медленного векового изменения значения константы c, входящей в правую часть (18.15).
С другой стороны, закон Хаббла–де Ситтера пишется в виде
Δλ
/λ=v/c=Е'r, (18.16)где
v=dr/dt есть видимая лучевая скорость галактик. Ноλ=
c/ν, (18.17)где
ν – частота данного монохроматического излучения. Энергия ε соответствующего фотона связана с ν соотношением Планка:ε=
hν. (18.18)Поэтому, если по каким-то причинам будет иметь место космическое вековое изменение ε (случай “в”), а стало быть,
ν и λ, то, согласно (18.16), возможно относительное смещение (Δλ/λ) длин волн спектральных линий галактик. При этом, очевидно, следует предполагать такой вид изменения (а именно, убыли) энергии метагалактических фотонов, при котором изменения длин волн будут иметь квазидоплеров вид, т. е. следует предполагать, чтоΔλ
/λ=constдля всего спектрального диапазона у данной галактики.
Такова первая точка зрения (и её три варианта).
Вторая (ныне принимаемая большинством специалистов) точка зрения приписывает красное смещение спектральных линий галактик их предполагаемому реальному взаимному удалению.
При этом существуют два варианта и в этой точке зрения.
Согласно одному из них (г) красное смещение есть результат происходящего в настоящее время расширения всей Метагалактики или одной лишь внутренней (относительно нас) части Метагалактики. В этом случае Метагалактику считают конечной частью бесконечной вселенной. Следовательно, здесь в принципе, считают возможным, что 1) расширение Метагалактики не означает расширения “всей” вселенной; современное расширение Метагалактики не означает обязательно её расширения на всех стадиях развития; 2) другие (вообще говоря, возможные, но сейчас ещё не открытые) метагалактики сейчас не все расширяются.
Согласно второму варианту (д) красное смещение не есть феномен, связанный с данной конкретной материальной структурой и её конкретными обстоятельствами. Согласно варианту (д), красное смещение есть универсальное явление; в нём (по крайней мере, сейчас) участвует вся астрономическая вселенная, в том числе и наша Метагалактика. Если же во вселенной есть и другие метагалактики, то и они все должны сейчас удаляться друг от друга и сами расширяться.
В 1936 г. Хаббл предложил критерий для определения природы красного смещения в спектрах галактик. Ввиду того, что энергия доходящего до нас излучения в какой-нибудь частоте пропорциональна самой частоте и числу квантов с данной частотой, наблюдаемое ослабление яркости галактик должно носить различный характер для случаев недоплерова и доплерова механизмов этого смещения.
В случае действия любого из этих двух механизмов энергия доходящего излучения будет изменяться одинаковым образом вследствие уменьшения частоты кванта (или, что то же, увеличения длины его волны). Для любой длины волны относительное уменьшение энергии определится выражением – Δ
λ/λ. Если бы до нас доходило всё излучение галактики и определялась её болометрическая величина mb, то соответствующее изменение болометрической величины, вследствие независимости Δλ/λ от λ, давалось бы равенствомΔ
mb=2,5lg(1+Δλ/λ). (18.19)Однако ввиду того, что в результате поглощения в атмосфере Земли и в телескопе, а также вследствие избирательной чувствительности фотографических пластинок ослабляется часть спектра и определяются фотографические величины, в равенство (18.19) нужно внести поправочный член, который мы обозначим через k:
Δ
m=2,5lg(1+Δλ/λ)+k. (18.20)Для недоплеровых механизмов красного смещения Δm полностью определяется равенством (18.20). Но в случае доплерова механизма играет роль также и то, что вследствие удаления источника излучения число достигающих нас в единицу времени квантов уменьшится в (1+
v/c)=(1+Δλ/λ) раз. Это будет справедливо для всех длин волн, и уменьшение видимой величины будет иметь вид (18.19), независимо от того, какая употребляется видимая величина – болометрическая, фотографическая или иная. Поэтому при доплеровом механизме полное уменьшение видимой величины галактики в результате красного смещения определяется равенствомΔ
m=5lg(1+Δλ/λ)+k. (18.21)Поправочный член k зависит от распределения энергии в спектре галактики, характера поглощения света в атмосфере и в телескопе, избирательной чувствительности пластинок. Исследуя возможные значения этого члена, Хаббл пришёл к выводу, что равенства (18.20) и (18.21) можно привести соответственно к виду
Δ
m=3,0Δλ/λ, (18.22)Δ
m=4,0Δλ/λ, (18.23)При этом предполагалось, что галактики излучают как абсолютно чёрное тело с температурой 6000°.
Зависимость между звёздной величиной m и наблюдаемым числом N галактик до данного значения m, справедливая при однородном распределении галактик (или их скоплений в пространстве) имеет вид
lgN=0,6m+const. (18.24)
Уменьшение видимых величин галактик вследствие красного смещения должно приводить к нарушению этой зависимости, которая примет вид
lgN=0,6(m–
Δm)+const. (18.25)Используя свои подсчёты галактик до 21-й фотографической звёздной величины в области северного полюса мира, Хаббл нашёл, что данные подсчётов отклоняются от закона (18.24) и согласуются с (18.25), а также что
Δ
m=2,94Δλ/λ. (18.26)Сравнение (18.26) с (18.22) и (18.23) привело Хаббла к заключению о недоплеровом механизме красного смещения.
Нужно, однако, заметить, что на полученный результат сильно влияет величина k, которая определяется неуверенно. Кроме того, необходимо иметь в виду, что на отклонение зависимости между N и m от закона (18.24) может влиять, кроме красного смещения, также поглощение света в Метагалактике и взаимное экранирование галактик.
Вторым критерием выбора между гипотезами о природе красного смещения является критерий, указанный Цвикки. Начиная с 1939 г. и по настоящее время в ряде работ по изучению внутренней структуры сферически симметричных скоплений Цвикки настойчиво подчёркивал, что предполагаемая им стационарность скоплений является свидетельством против концепции “расширения вселенной”. В частности, для достижения этой стационарности, по его мнению, требуется время порядка 1018 лет. Это в 108 раз превышает весь “экспансионный возраст” вселенной (1010 лет).
Третий критерий был указан нами в 1954 г. Это – критерий аберрационного времени.
Конечность скорости распространения света приводит к космологическому факту неодновременности наблюдаемой картины мира в радиальном направлении относительно наблюдателя.
Объекты, находящиеся от наблюдателя на расстоянии r, видны в момент, отстоящий от отметки времени наблюдателя на промежуток времени
Δ
t=r/c, (18.27)где c – скорость света. Будем называть Δt аберрационным временем, так как явления суточной и годичной аберрации не имели бы места при c=∞.
Рассмотрим влияние аберрационного времени на средние поверхностные яркости галактик. Испытаем при этом следующие три возможные точки зрения на природу красного смещения:
A. Пространственное расширение конечной вселенной.
Б. Расширение (местное или общее) конечной Метагалактики в бесконечной вселенной.
B. “Старение” фотонов.
Для сопоставления гипотез А и Б был избран в качестве наблюдательного критерия ход средних поверхностных яркостей галактик с их расстоянием от наблюдателя. Согласно гипотезе Б изменяются только межгалактические расстояния; сами же галактики для не слишком больших промежутков времени (т. е. не на слишком больших расстояниях – порядка 109 пс), очевидно, можно считать мало изменившимися. В случае же гипотезы А расширяется (и притом равномерно и изотропно) всё пространство конечной вселенной. Следовательно, в этом случае расширяется каждая галактика и притом пропорционально её линейным размерам.
Светимость галактик можно считать неизменной в течение рассматриваемых промежутков времени. Поэтому средняя поверхностная яркость галактик в случае А (в отличие от Б) менялась бы с расстояниями галактик.
Ввиду различия аберрационного времени Δt для галактик с разными r, далёкие галактики, в случае справедливости А, соответствовали бы более ранним стадиям расширения конечной “вселенной”. Следовательно, их наблюдаемые радиусы и поверхности должны быть в среднем систематически меньшими, чем у близких галактик, и потому их средняя поверхностная яркость должна возрастать с увеличением r.
Наоборот, в случае В пространственные размеры галактик, как и межгалактические расстояния, должны оставаться неизменными. В то же время, наблюдаемые светимость и поверхностная яркость галактик должны в случае В убывать с увеличением расстояния в силу убыли энергии фотонов.
Ещё в тридцатых годах автор показал, что ни о каком возрастании средней (поверхностной) яркости i галактик с увеличением расстояния не может быть и речи. Во-первых, практически нет никакой связи между поверхностными звёздными величинами более ярких спиралей (mфот<13m) гарвардского фотометрического каталога с их расстояниями (r≤2·106 пс). Во-вторых, анализ фотометрических данных для четырёх скоплений галактик в созвездиях Девы и Волос Вероники показал, что и на более далёких расстояниях (порядка 108 пс) также нет признаков увеличения поверхностной яркости с увеличением расстояния. Наоборот, наблюдается обнаруженное ещё Шепли и Эймс (но неправильно теоретически истолкованное ими) обратное явление.
Итак, на очень больших расстояниях (в сотни мпс) скорее заметно небольшое уменьшение средней поверхностной яркости галактик с увеличением расстояния (которое мы приписали в 1938 г. наличию метагалактической поглощающей среды).
Таким образом, приложение критерия аберрационного времени к наблюдаемым поверхностным яркостям галактик свидетельствует против гипотезы о конечной расширяющейся вселенной. Вопрос о выборе между гипотезами Б и В нельзя разрешить тем же методом. Эффекты красного смещения (какова бы ни была их физическая природа) действуют в ту же сторону, что и метагалактическое поглощение, и, по-видимому, они слабее его.
Дата установки: 10.07.2011
[вернуться к содержанию сайта]
