Открытие закона Хаббла
В предыдущей статье Зарождение теории Большого взрыва описывалась история возникновения теории о нестационарной Вселенной. Научное сообщество во главе с Эйнштейном отвергло новый взгляд Фридмана и Леметра. Однако в скором времени теория Фридмана—Леметра была подтверждена наблюдениями.
Фактически Леметр вывел закон Хаббла еще в своей статье 1927 года, на два года раньше самого Эдвина Хаббла. Но так как Леметр провел всю свою творческую жизнь в Европе, а не в эмигрантской Америке, а о Фридмане не знали совсем, американская пресса предпочитала акцентировать внимание на вкладах Хаббла или Эйнштейна, имевших связи в США.
Но открытие Хаббла базируется на еще одном, не менее важном, факторе. Самым первым элементом мозаики было открытие астронома Весто Слайфера. В 1912 году Слайфер занимался исследованием спектров излучения ближайших галактик. Разные типы звезд в то время уже были известны, а их спектры изучены. Когда свет звезды проходит через облако газа и пыли, то в нем образуются черные полосы на месте тех длин волн, которые были поглощены облаком. Каждый элемент поглощает волны определенной длины.
Состав облаков хорошо изучен, обычно они состоят из водорода и гелия. Таким образом, в спектрах всегда наблюдаются одни и те же черные полосы. Слайфер обнаружил, что в уже известных спектрах часто наблюдаются сдвиги черных полос вверх или вниз по спектру. Сдвиг в сторону красной части спектра был назван красным смещением, а сдвиг в противоположную сторону получил название синего смещения.
В 1914 году ему удалось установить, что свет всех наблюдаемых им «спиральных туманностей» смещен в красную часть спектра. В те годы среди астрономов шли яростные дебаты о том, являются ли эти туманности частью Млечного Пути или это отдельные «островные Вселенные». Поэтому никто не сделал выводов из открытия Слайфера.
В начале 1920-х годов сам Хаббл работал в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии. Обсерватория была расположена на высоте двух километров над уровнем моря и оборудована уникальным по тем временам телескопом с зеркальным объективом 2,5 метра в диаметре. На тот момент не было известно других галактик, кроме Млечного Пути, а все расплывчатые объекты назывались туманностями. Хаббл изучал три из них: Андромеду, Барнард и Треугольник. Мощный телескоп позволил разглядеть в туманности отдельные звезды, и Хаббл заключил, что эти облака находятся вне Млечного Пути и являются другими галактиками.
В космологии есть понятие «стандартная свеча». Под ним понимается объект, чья яркость, ввиду протекающих на нем физических процессов, известна. Наиболее часто такими свечами выступают звезды-цефеиды, чей блеск меняется с известной периодичностью. При помощи них можно точно определять расстояние до области космоса, где они находятся. Хаббл нашел в галактиках такие «маркерные» звезды, а по ним определил расстояние до галактик и заключил, что они больше Млечного Пути, следовательно, не являются его частью. Открытие принесло Хабблу известность и уважение в научных кругах.
Далее Хаббл проанализировал 46 галактик и сравнил свои данные по расстояниям с данными Слайфера по смещениям. Из данных следовал однозначный вывод: смещение пропорционально расстоянию. Чем дальше галактика от нас, тем сильнее черные линии уходят в красную зону спектра.
Хаббл заключил, что скорость разбегания галактик равна расстоянию, умноженному на некую константу (постоянную Хаббла). v = Н * r, где Н — коэффициент пропорциональности, v — скорость и r — расстояние). Рассчитать эту константу в то время Хаббл правильно не смог. Дело в том, что даже сегодня расстояния до галактик нельзя определить непосредственным наблюдением. Все оценки базируются на модели вселенной. В то время эта модель не позволила Хабблу провести точный расчет, он получил значение 500 км/сек/Мпк. На данный момент эта скорость составляет по разным оценкам около 70 км/сек/Мпк.
Физический смысл закона заключается в том, что красное смещение света практически всех галактик вокруг объясняется удалением этих галактик от нас. В таком случае можно предположить, что наша галактика является центром Вселенной, а галактики по какой-то причине разлетаются из центра. Но модели, подобные гелиоцентрической, были уже не в моде в ХХ веке. Вдобавок скорость удаления галактик растет с увеличением расстояния до нашей. Фридман и Леметр дали феномену смещения другое объяснение. Они предположили и показали в уравнениях, что сама ткань Вселенной (пространство) может расширяться, приводя к удалению всех галактик друг от друга. Таким образом, уже не нужно считать, что наша галактика является центром Вселенной.
Общепринятый космологический принцип гласит, что Вселенная однородна и изотропна. Из этого принципа и из закона Хаббла следует, что Вселенная расширяется. То есть Хаббл на практике доказал, что Леметр и Фридман были правы. Число, обратное постоянной Хаббла, — это оценочный возраст Вселенной. Хаббл в качестве такой оценки получил два миллиарда лет. Объявление этого возраста как результата расчетов немедленно вызвало критику ученого сообщества.
В 1929 году после публикации исследований Хаббла Эйнштейн весьма быстро признал теорию Леметра и даже оказал помощь в её популяризации, а также помог священнику стать значимым лицом в мире науки. Причем он сделал это максимально публично. Авторитет Хаббла и Эйнштейна заставили научное сообщество принять новую теорию.
Теория Фридмана—Леметра об эволюции мира начиная с «первоначального атома» в 1949 году иронично была названа космологом Фредом Хойлом «Большим взрывом». Это название закрепилось исторически.
Эйнштейн ввел в свою систему уравнений так называемый Λ-член (лямбда-член) — космологическую постоянную — для обеспечения стационарности Вселенной. Позже он назвал космологическую постоянную своей «самой большой научной ошибкой». Но лучше сказать, что Эйнштейн ошибся, расценив Λ-член как ошибку. Сегодня общепринятой является космологическая модель Λ-CDM (лямбда-CDM), включающая в себя космологическую постоянную Эйнштейна, но не для равновесия (стационарная модель), а ускоряющую расширение. Следствия из космологической модели расширяющейся Вселенной будут рассмотрены в следующей статье.
