Что такое сфера Хаббла и как изменяется расстояние до неё?
Спрашивает редакция культурно-просветительского центра «АРХЭ»
Отвечает Сергей Попов, доктор физико-математических наук, профессор РАН, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ, лауреат премии «За верность науке–2015» Министерства образования и науки РФ в категории «Популяризатор года», лауреат Беляевской премии 2017 года, лектор «АРХЭ»
Хаббловской сферой называют поверхность, расстояние до которой определяется как d=c/H. То есть в данный момент времени галактики, находящиеся на сфере Хаббла, удаляются от нас из-за расширения Вселенной со скоростью, равной скорости света. Здесь d — собственное расстояние (то, которое растёт по мере расширения), а H — постоянная Хаббла.
Постоянная Хаббла меняется со временем (зато она одинакова во всех местах в данный момент времени). В нашей Вселенной в течение всей её истории по окончании стадии инфляции постоянная Хаббла уменьшается. Соответственно, поскольку скорость света постоянна, собственное расстояние до хаббловской сферы в настоящее время растёт (то есть в метрах, сантиметрах и т.д. расстояние возрастает).
Вопрос в том, с какой скоростью растёт расстояние до сферы Хаббла. В ускоренно расширяющейся Вселенной это расстояние растёт со скоростью меньше световой, а в замедленно расширяющейся — быстрее. Точная формула для этой скорости c(1+q), где q — так называемый параметр замедления; этот параметр меньше нуля во Вселенной, расширяющейся с ускорением (у нас сейчас он равен примерно – 0.55), и больше нуля — в противоположном случае. Знак параметра замедления обратен знаку второй производной так называемого масштабного фактора. Масштабный фактор (обычно его обозначают буквой «a») показывает, во сколько раз выросли расстояния во Вселенной по мере течения времени. Эта величина всегда растёт, соответственно её первая производная положительна. А вот вторая как раз отражает, происходит ли рост расстояний все быстрее и быстрее (ускоренно расширяющаяся Вселенная) или нет.
Постоянная Хаббла меняется со временем (зато она одинакова во всех местах в данный момент времени). В нашей Вселенной в течение всей её истории по окончании стадии инфляции постоянная Хаббла уменьшается. Соответственно, поскольку скорость света постоянна, собственное расстояние до хаббловской сферы в настоящее время растёт (то есть в метрах, сантиметрах и т.д. расстояние возрастает).
Вопрос в том, с какой скоростью растёт расстояние до сферы Хаббла. В ускоренно расширяющейся Вселенной это расстояние растёт со скоростью меньше световой, а в замедленно расширяющейся — быстрее. Точная формула для этой скорости c(1+q), где q — так называемый параметр замедления; этот параметр меньше нуля во Вселенной, расширяющейся с ускорением (у нас сейчас он равен примерно – 0.55), и больше нуля — в противоположном случае. Знак параметра замедления обратен знаку второй производной так называемого масштабного фактора. Масштабный фактор (обычно его обозначают буквой «a») показывает, во сколько раз выросли расстояния во Вселенной по мере течения времени. Эта величина всегда растёт, соответственно её первая производная положительна. А вот вторая как раз отражает, происходит ли рост расстояний все быстрее и быстрее (ускоренно расширяющаяся Вселенная) или нет.
Но можно говорить о другом виде расстояния — сопутствующем. Это расстояние по определению не меняется по мере расширения Вселенной. По сути, оно как бы «нумерует» галактики. Если обозначит сопутствующее расстояние как r, то собственное будет равно d=ar. В ускоренно расширяющейся Вселенной галактики «вылетают» за сферу Хаббла, поскольку «чуть за» сферой Хаббла их скорость больше световой (не надо бояться сверхсветовых скоростей в космологии), и сфера от них отстаёт, поскольку движется с меньшей скоростью. Это можно описать как «продвижение» сферы Хаббла в нашу сторону, если говорить о сопутствующем расстоянии. Таким образом, сопутствующее расстояние до сферы Хаббла уменьшается. Во Вселенной, расширяющейся с замедлением, ситуация обратная.
Замечу, что в космологии можно говорить о разных определениях расстояний, скоростей и времени. Если это не уточняется, то может возникать путаница. Например, в Википедии написано без уточнений, что расстояние до хаббловской сферы в ускоренно расширяющейся Вселенной уменьшается, а в расширяющейся с замедлением — растёт (речь идёт как раз о сопутствующем расстоянии).
В качестве подробного популярного объяснения могу посоветовать серию наших статей с космологом Алексеем Топоренским. Начать можно вот с этой. Затем можно почитать статью про горизонты в космологии, чтобы понять, что сфера Хаббла в общем случае с ними не совпадает.
И наконец — этот текст.
Замечу, что в космологии можно говорить о разных определениях расстояний, скоростей и времени. Если это не уточняется, то может возникать путаница. Например, в Википедии написано без уточнений, что расстояние до хаббловской сферы в ускоренно расширяющейся Вселенной уменьшается, а в расширяющейся с замедлением — растёт (речь идёт как раз о сопутствующем расстоянии).
В качестве подробного популярного объяснения могу посоветовать серию наших статей с космологом Алексеем Топоренским. Начать можно вот с этой. Затем можно почитать статью про горизонты в космологии, чтобы понять, что сфера Хаббла в общем случае с ними не совпадает.
И наконец — этот текст.