Закон Хаббла. Постоянная Хаббла. Тёмная Масса и её возможные носители.

Закон Хаббла

• В 1929 году Эдвин Хаббл по величинам красного смещения в спектрах внегалактических туманностей установил закон всеобщего разбегания галактик, согласно которому красное смещение удалённых объектов пропорционально их расстоянию от наблюдателя.

• Закон Хаббла утверждает, что чем дальше от наблюдателя галактика, тем быстрее она удаляется:

где Н 0 – постоянная (точнее параметр) Хаббла в современную эпоху.

• Закон Хаббла хорошо выполняется для отдельных галактик, не входящих в скопления, и для скоплений галактик как целого.

• Кроме космологических скоростей, обусловленных расширением Вселенной, галактики обладают также собственными (пекулярными) скоростями, которые могут составлять несколько сотен км/с (для членов массивных скоплений галактик — более 1 000 км/с).

• Наличие у галактик собственных скоростей приводит к тому, что закон Хаббла плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии ближе 10–15 млн. св. лет, т.е. как раз для тех галактик, расстояния до которых наиболее надёжно определяются без красного смещения.

• Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на очень больших расстояниях (в миллиарды св. лет), которым соответствует величина zc > 1, поскольку является только линейным приближением к красному космологическому смещению.

• Для галактики Андромеды z = –0.001, для галактики Сомбреро z= +0.004, т.е. скорость «убегания»~1200км/с.

Постоянная Хаббла

• Величина Н 0, входящая в выражение для закона Хаббла, называется постоянной Хаббла (более точно – параметром Хаббла, поскольку её значение зависит от времени).

• В настоящее время постоянную Хаббла принято считать равной (70,8 ± 1,5) км/(с·Мпк). В процессе расширения Вселенной, если такое расширение происходит равномерно, постоянная Хаббла должна уменьшаться.

• Знание точного значения постоянной Хаббла весьма важно для космологии, поскольку Н определяет критическое значение средней плотности вещества во Вселенной, а также время, прошедшее после Большого Взрыва.

• Если галактика удаляется с постоянной скоростью V и в настоящее время находится на расстоянии r, то время её удаления t_H = r / V. По закону Хаббла V = Hr, т. е. t_H = H ^–1

• Т. о., постоянная Хаббла имеет размерность частоты (с^–1), т. е. обратная ей величина имеет смысл характерного времени расширения Вселенной на текущий момент. Это время по последним данным составляет 13,73 ± 0,12 миллиардов лет.

Тёмная (скрытая) масса и её возможные носители

• Скопления галактик обнаруживают следующую особенность: для многих из них масса, определённая по скоростям собственного движения галактик в скоплении, оказывается заметно больше массы, определённой по общей светимости галактик.

• Массу скопления, определённую на основе теоремы вириала, называют вириальной.

• Как известно, для связанной стационарной системы выполняется теорема вириала: кинетическая энергия равна половине модуля потенциальной энергии.

• Для частицы массой m, обращающейся по круговой орбите вокруг центральной массы М:

• Если известны размер скопления R и дисперсия скоростей галактик v, то можно получить оценку вириальной массы скопления:

• Другой способ определения массы скопления состоит в том, что полную наблюдаемую светимость скопления умножают на стандартное отношение масса/светимость, найденное независимо для отдельных галактик.

• Такое отношение различно для галактик различных типов, но если известно, что в данном скоплении преобладают галактики какого-то определённого типа, то суммарную массу этих галактик таким способом действительно можно оценить.

• Оказывается, что суммарная масса галактик меньше вириальной массы скопления (вириальный парадокс):

• Для разрешения вириального парадокса, объяснения кривых дифференциального вращения галактик и некоторых других явлений необходимо наличие в галактиках и их скоплениях значительных масс скрытого (тёмного, т.е. несветящегося) вещества.

• По современным данным средняя плотность наблюдаемого вещества составляет 3·10^–31 г/см³, а средняя плотность Вселенной на два порядка больше (10^–29 г/см3).

• В качестве возможных носителей тёмной массы в настоящее время рассматриваются объекты барионной и небарионной природы.

• Барионное вещество (макроскопические объекты) – массивные объекты гало галактик (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, MACHO), к которым относятся слабоизлучающие компактные

объекты, в первую очередь маломассивные звёзды — коричневые карлики, очень массивные юпитероподобные планеты, масса которых недостаточна для инициирования термоядерных реакций в их недрах, а также остывшие белые карлики, нейтронные звёзды и чёрные дыры.

• Скрытая масса, состоящая из барионного вещества, должна составлять около 3% вещества Вселенной.

• Ещё примерно 23% массы Вселенной приходится на небарионную тёмную материю, не участвующую в сильном и электромагнитном взаимодействии. Она наблюдается только в гравитационных эффектах.

• В зависимости от скорости частиц различают горячую и холодную тёмную материю.

• Горячая тёмная материя состоит из частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по-видимому, из нейтрино. • Холодная тёмная материя должна состоять из массивных медленно движущихся («холодных») частиц или сгустков вещества. Экспериментально такие частицы пока не обнаружены.

• В качестве кандидатов на роль холодной тёмной материи выступают слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP), такие как аксионы и суперсимметричные партнёры-фермионы лёгких бозонов — фотино, гравитино и др.

• Скрытая масса играла важную роль в развитии гравитационной неустойчивости в расширяющейся Вселенной. Поскольку она состоит, вероятно, из слабовзаимодействующих частиц, давление излучения не могло препятствовать образованию огромных облаков темной материи. Эти облака явились «потенциальными ямами», которые после рекомбинации послужили зародышами для конденсации газа. Массы облаков темного вещества зависели от масс составляющих их частиц.

• Если темная материя состоит из горячей темной материи (нейтрино), то массы облаков примерно соответствовали массам сверхскоплений галактик. В этом случае первыми образовывались прото-сверхскопления галактик, которые затем распадались из-за гравитационной неустойчивости на протоскопления и протогалактики (эволюция «сверху вниз»).

• В настоящее время этот сценарий считается неверным, поскольку в моделях с горячей темной материей галактики должны формироваться очень поздно, при красных смещениях z = 1–2, но в настоящее время открыто очень много гораздо более далеких галактик и квазаров. Т.о., по современным представлениям горячей тёмной материи недостаточно для формирования галактик.

• Если же темная материя состоит из частиц более высотой массы, чем масса нуклонов (холодная темная материя), то массы облаков были гораздо меньше масс отдельных галактик.

• В этом случае первыми образовывались объекты типа звёздных скоплений, которые затем объединялись в системы более высокого уровня (эволюция «снизу вверх»). • Этот сценарий сейчас считается наиболее вероятным. Сильным доводом в его пользу является тот факт, что далекие галактики, попавшие в HDF, меньше по размеру, чем близкие (современные звёздные системы) — ведь при объединении галактик они должны расти. • Не исключено, впрочем, что в будущем победит комбинация этих сценариев, в которой помимо холодной есть и примесь горячей темной материи.