Расширение Вселенной¶

Расширение Вселенной — увеличение расстояний между дальними объектами (галактиками, скоплениями галактик) во Вселенной со временем, обусловленное раздуванием метрического пространства-времени. В современной космологии считается установленным фактом, подтверждённым наблюдениями красного смещения галактик, реликтового излучения и крупномасштабной структуры материи. Скорость удаления далёких объектов пропорциональна расстоянию до них и описывается законом Хаббла — Леметра.

¶История открытия

В 1922 году Александр Фридман на основе уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна показал, что Вселенная не может быть статичной: допускаются решения, описывающие её расширение или сжатие. Сам Эйнштейн ввёл в уравнения космологическую постоянную, чтобы получить статичную модель, позже назвав это «своей крупнейшей ошибкой».

В 1927 году бельгийский священник и физик Жорж Леметр независимо вывел решения расширяющейся Вселенной и связал скорость удаления галактик с расстоянием. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл на основе наблюдений за спектрами далёких галактик установил эмпирическую зависимость: чем дальше галактика, тем сильнее смещены в красную сторону линии её спектра, то есть тем быстрее она удаляется. Эта зависимость получила название закона Хаббла.

Первоначальная оценка постоянной Хаббла, полученная самим Хабблом, составляла около 500 км/(с·Мпк) и была завышена примерно в семь раз из-за ошибок в определении расстояний. В 2000-е годы уточнённое значение составило около 70 км/(с·Мпк).

¶Закон Хаббла — Леметра

Скорость удаления галактики от наблюдателя $v$ пропорциональна расстоянию $d$:

v = H₀ · d,

где $H₀$ — постоянная Хаббла (параметр Хаббла), численно равная примерно 70 км/(с·Мпк). Это означает, что галактика, удалённая на 1 мегапарсек (около 3,26 млн световых лет), удаляется со скоростью около 70 км/с; на расстоянии 100 Мпк — со скоростью около 7000 км/с.

Постоянная Хаббла имеет размерность обратного времени, и величина $1/H₀$ называется временем Хаббла — порядка 14 млрд лет, что согласуется с оценкой возраста Вселенной (13,8 млрд лет).

Важно, что галактики не движутся сквозь пространство с этими скоростями — расширяется само пространство. Наблюдаемое красное смещение объясняется тем, что фотон, летящий миллиарды лет, испытывает растяжение волны по мере расширения пространства между точкой испускания и точкой приёма.

¶Ускоренное расширение

До конца XX века считалось, что расширение Вселенной должно замедляться под действием гравитации — материя притягивает объекты друг к другу и противодействует разбеганию. Однако в 1998 году две независимые группы астрономов — проекты Supernova Cosmology Project и High-z Supernova Search Team, возглавляемые Саулем Перлматтером, Адамом Риссом и Брайаном Шмидтом — изучили сверхновые типа Ia и обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется.

Сверхновые типа Ia используются как «стандартные свечи»: их абсолютная светимость известна, поэтому по видимой яркости можно определить расстояние, а по красному смещению — скорость удаления. Сравнение показало, что далёкие сверхновые тусклее, чем ожидалось при замедляющемся расширении, то есть Вселенная расширяется быстрее.

За это открытие Перлматтер, Рисс и Шмиддт получили Нобелевскую премию по физике в 2011 году.

Причину ускорения принято связывать с так называемой тёмной энергией — формой энергии с отрицательным давлением, заполняющей около 68 % плотности энергии-массы современной Вселенной. В стандартной космологической модели ΛCDM тёмная энергия отождествляется с космологической постоянной Λ.

¶Текущие параметры расширения

Согласно данным космического телескопа «Планк» (2018), параметры расширения Вселенной составляют:

• Постоянная Хаббла H₀ ≈ 67,4 км/(с·Мпк) (по данным «Планка»);
• Возраст Вселенной — 13,8 млрд лет;
• Доля тёмной энергии — около 68 %;
• Доля тёмной материи — около 27 %;
• Доля обычной (барионной) материи — около 5 %.

Существует так называемое «напряжение Хаббла»: независимые измерения H₀ по данным «Планка» (реликтовое излучение, экстраполяция вперёд) и по данным телескопа «Джеймс Уэбб» и проектов Cepheid/SN Ia (измерение расстояний напрямую, экстраполяция назад) расходятся примерно на 5–10 %. Это расхождение может указывать на систематические ошибки или на новые физические явления за рамками модели ΛCDM.

¶Будущее расширения

При текущих параметрах Вселенная будет расширяться неограниченно. На масштабах, превышающих горизонт наблюдения (около 46 млрд световых лет в радиусе), галактики, не связанные гравитационно со Скоплением Девы, удалятся за горизонт событий и станут ненаблюдаемыми. Через десятки млрд лет наблюдатель в нашей галактике увидит лишь тускнеющие остатки ближайших галактик, а далёкая Вселенная окажется недоступной для наблюдения.

Если тёмная энергия окажется космологической постоянной, расширение будет продолжаться с ускорением, приводя к так называемому «тепловой смерти» Вселенной — состоянию максимальной энтропии, когда все процессы прекратятся. Альтернативные модели предполагают, что тёмная энергия может меняться со временем, что приведёт к «большому разрыву» (если давление тёмной энергии растёт) или к замедлению расширения.

¶Измерение скорости расширения

Прямое измерение скорости расширения на современном уровне достигается несколькими методами:

• Наблюдение сверхновых типа Ia как стандартных свечей;
• Измерение параметров реликтового излучения (Космологический микроволновый фон) с помощью спутников COBE, WMAP и «Планк»;
• Изучение барионных акустических осцилляций (BAO) в распределении галактик;
• Гравитационное линзирование и реликтовое излучение.

Каждый метод даёт собственную оценку H₀, и сопоставление результатов позволяет проверять модель ΛCDM и искать признаки новой физики.

¶История измерений постоянной Хаббла

Расхождение между значениями «Планка» и SH0ES составляет около 5σ, что статистически значимо и остаётся одним из открытых вопросов современной космологии.

Источники:

• Эйнштейн А. Космологические исследования общей теории относительности (1917)
• Фридман А. А. Кривизна пространства (1922)
• Хаббл Э. A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae (1929)
• Riess A. G. et al. Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant (1998)
• Perlmutter S. et al. Measurements of Ω and Λ from 42 High-Redshift Supernovae (1999)
• Planck Collaboration. Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters (2020)
• Лившиц Р., Кронберг П. Физика гравитации (2007)