Закон Хаббла (закон загального розбігання галактик) - емпіричний закон, що зв'язує червоне зміщення галактик і відстань до них лінійним чином [1]:
Де z - червоне зміщення галактики, D - відстань до неї, H0 коефіцієнт пропорційності, званий постійна Хаббла. При малому значенні z c z = Vr. де Vr-швидкість галактики вздовж променя зору спостерігача, і закон приймає класичний вид: $$ D \ propto V_r. $$
За допомогою цього закону можна розрахувати так званий Хаббловском вік Всесвіту (в припущенні, що «розбігання» галактик дійсне):
цей вік з точністю до множника 2 відповідає віку Всесвіту, що розраховується за стандартною космологічної моделі Фрідмана.
Закон Хаббла встановлений експериментально Е. Хабблом в 1929 для галактик за допомогою 100 "телескопа. Який дозволяє найближчі галактики на зірки. Серед них були цефеїди. Використовуючи залежність« період-світність »яких, Хаббл виміряв відстань до них, а також червоне зміщення.
Отриманий Хабблом коефіцієнт пропорційності становив близько 500 км / с на мегапарсек. Сучасне значення становить 74,2 ± 3,6 км / с на мегапарсек. Настільки істотну різницю забезпечують два фактори: відсутність поправки нуль-пункту залежності «період-світність» на поглинання (яке тоді ще не було відкрито) і істотний внесок власних швидкостей в загальну швидкість для місцевої групи галактик [2].
З точки зору класичної механіки. закон Хаббла можна наочно пояснити наступним чином. Колись давно Всесвіт утворився в результаті Великого вибуху. У момент вибуху різні частки матерії (осколки) отримали різні швидкості. Ті з них, які отримали великі швидкості - відповідно встигли до цього моменту полетіти далі, ніж ті, які отримали менші швидкості. Якщо провести чисельний розрахунок, то виявиться, що залежність відстані від швидкості виявляється лінійною. Крім того, виходить, що ця залежність одна і та ж для всіх точок простору, тобто, за спостереженнями за розлітаються осколками можна знайти точку вибуху: з точки зору кожного осколка, саме він знаходиться в центрі. Однак, незважаючи на таку наочність, слід пам'ятати, що розширення Всесвіту має показані не класичною механікою, а загальною теорією відносності.
Перше зауваження стосується того, чи враховується при спостереженнях той факт, що через те, що світло йде від галактик мільйони років, ми спостерігаємо їх в минулому. В результаті, оскільки вони віддаляються від нас, зараз вони повинні знаходитися вже далі. Питання: З якої з двох відстаней визначена залежність Хаббла? Відповідь: до середини минулого століття це не мало значення. З графіка Хаббла видно, що найбільші швидкості галактик, розглянутих Хабблом, склали до 1000 км / с. В принципі це велика швидкість, але за час руху світла від них до Землі, вони все одно встигли зрушити на незначний відсоток загального відстані.
За кілька років до експериментального відкриття Олександром Фрідманом були теоретично вирішені рівняння Ейнштейна для всього Всесвіту і в результаті було отримано, що якщо розподіл речовини в ній в середньому рівномірно, то вона повинна або стискуватися або розширюватися, причому в останньому випадку повинен спостерігатися лінійний закон між відстанню і швидкістю тікання. Ця особливість рішень Фрідмана була відразу ж ототожнена з явищем, відкритим Хабблом.
Відповідно до цієї (загальноприйнятої) моделлю космологічне червоне зміщення можна інтерпретувати як Ефект Доплера. так як отримується з спостережуваного \ (z \) за формулами цього ефекту швидкість не відповідає (лише приблизно дорівнює) ніякої швидкості в сенсі зміни космологічного відстані між галактиками. Галактики нерухомі (за винятком пекулярних власних швидкостей), а розширюється простір, що і викликає розширення хвильового пакета. (Див. В статті Космологічне червоне зміщення). Так співвідношення $$ \ displaystyle cz \ approx H_0D $$
є наближеним, в той час як рівність $$ V = \ frac = H_0D $$
де D - відстань в даний момент, є точне рівність, тобто червоний зсув лінійно пов'язано з відстанню тільки наближено для близьких галактик, а швидкість їх видалення лінійно зростає з відстанню точно. Таким чином, в останній формулі швидкість \ (V \) не відповідає швидкості, що розраховується за ефектом Доплера.
Оцінка постійної Хаббла і її фізичний зміст [ред]
У процесі розширення, якщо воно відбувається рівномірно, постійна Хаббла повинна зменшуватися, і індекс «0» при її позначенні вказує на те, що величина Н0 відноситься до сучасної епохи. Величина, зворотна постійної Хаббла повинна бути в такому випадку дорівнює часу, який пройшов з моменту початку розширення, тобто, віку Всесвіту.
Проблема оцінки Н0 ускладнюється тим, що, крім космологічних швидкостей, обумовлених розширенням Всесвіту, галактики ще володіють власними (пекулярними) швидкостями, які можуть становити кілька сотень км / с (для членів масивних скупчень галактик - понад 1000 км / с). Це призводить до того, що закон Хаббла погано виконується або зовсім не виконується для об'єктів, що перебувають на відстані ближче 10-15 млн св. років. тобто якраз для тих галактик, відстані до яких найбільш надійно визначаються без червоного зсуву.
Закон Хаббла погано виконується і для галактик на дуже великих відстанях (в мільярди св. Років), яким відповідає величина z> 1. Відстані до об'єктів з таким великим червоним зміщенням втрачають однозначність, оскільки залежать від прийнятої моделі Всесвіту і від того, до якого моменту часу вони віднесені. В якості запобіжного відстані в цьому випадку зазвичай використовується тільки червоне зміщення.
Можлива нелінійність закону [ред]
У наш час спостереженнями, що говорять на користь існування темної енергії. були, мабуть, виявлені відхилення від лінійного закону Хаббла (як зв'язку червоного зсуву з відстанню). Було виявлено, мабуть, що наш Всесвіт розширюється з прискоренням. Цей факт не скасовує закону Хаббла, так як останній діє на більш близьких відстанях, ніж ці нові ефекти.