Закон Хаббла. Закон Ньютона-Хаббла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Закон Хаббла. Закон Ньютона-Хаббла.

2. Что такое «геоид», его характеристика, форма. Почему Земля имеет именно такую форму?

Список литературы

Закон Хаббла. Закон Ньютона-Хаббла

Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) - эмпирический закон, связывающий красное смещение галактик и расстояние до них линейным образом:

где z -- красное смещение галактики, D -- расстояние до неё, H0 -- коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. При малом значении z выполняется приближённое равенство cz=Vr, где Vr -- скорость галактики вдоль луча зрения наблюдателя, c --скорость света. В этом случае закон принимает классический вид:

С помощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возраст Вселенной:

Этот возраст является характерным временем расширения Вселенной на данный момент и с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.

В 1913--1914 годах американский астроном Весто Слайфер установил, что Туманность Андромеды и ещё более десятка небесных объектов движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями (порядка 1000 км/сек). Это означало, что все они находится за пределами Галактики (ранее многие астрономы полагали, что туманности представляют собой формирующиеся в нашей Галактике планетные системы).

Другой важный результат: все исследованные Слайфером туманности, кроме 3, удалялись от Солнечной системы. В 1917--1922 годах Слайфер получил дополнительные данные, подтвердившие, что скорость почти всех внегалактических туманностей направлена прочь от Солнца. Артур Эддингтон на основе обсуждавшихся в те годы космологических моделей Общей теории относительности предположил, что этот факт отражает общий природный закон: Вселенная расширяется, и чем дальше от нас астрономический объект, тем больше его относительная скорость.

Вид закона для расширения Вселенной был установлен экспериментально для галактик бельгийским учёным Жоржем Леметромв 1927, а позже -- знаменитым Э. Хабблом в 1929 с помощью 100-дюймового телескопа, который разрешает ближайшие галактики на звезды. Среди них были цефеиды, используя зависимость «период-светимость» которых, Хаббл измерил расстояние до них, а также красное смещение галактик, позволяющее определить их радиальную скорость.

Полученный Хабблом коэффициент пропорциональности составлял около 500 км/с на мегапарсек. Современное значение составляет 73,8 ± 2,4 км/с на мегапарсек. Столь существенную разницу обеспечивают два фактора: отсутствие поправки нуль-пункта зависимости «период-светимость» на поглощение (которое тогда ещё не было открыто) и существенный вклад собственных скоростей в общую скорость для местной группы галактик.

С точки зрения классической механики, закон Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная образовалась в результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили большие скорости, соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше, чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства, то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва: с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.

Первое замечание касается того, учитывается ли при наблюдениях тот факт, что из-за того, что свет идёт от галактик миллионы лет, мы наблюдаем их в прошлом. В результате, поскольку они удаляются от нас, в настоящий момент они должны находиться уже дальше. Вопрос: для какого из двух расстояний определена зависимость Хаббла? Ответ: до середины XX века это не имело значения. Из графика Хаббла видно, что наибольшие скорости галактик, рассмотренных Хабблом, составили до 1000 км/с. В принципе это большая скорость, но за время движения света от них до Земли они всё равно успели сдвинуться лишь на незначительный процент общего расстояния.

Второе замечание заключается в том, что расширение Вселенной не является простым разлётом галактик в пустом пространстве. Оно заключается в динамическом изменении самого пространства. Непонимание этого факта часто заставляет делать неверные заключения авторов даже серьёзной литературы. Например, часто говорят, что скорость убегания галактик не должна превышать скорость света и потому на тех расстояниях, где это должно наблюдаться, должны наблюдаться и отклонения от закона Хаббла. Это не так: согласно общей теории относительности, должны существовать и наблюдаться галактики, убегающие быстрее света.

За несколько лет до экспериментального открытия закона Хаббла Александр Фридман вывел теоретически решения уравнения Эйнштейна для всей Вселенной, и в результате было получено, что если распределение вещества в ней в среднем равномерно, то она должна или сжиматься, или расширяться, причём в последнем случае должен наблюдаться линейный закон между расстоянием и скоростью убегания. Эта особенность решений Фридмана была сразу же отождествлена с явлением, открытым Хабблом.

В соответствии с этой (общепринятой) моделью космологическое красное смещение нельзя интерпретировать как Эффект Доплера, так как получаемая из наблюдаемого z по формулам этого эффекта скорость не соответствует (лишь приближённо равна) никакой скорости в смысле изменения космологического расстояния между галактиками. Галактики неподвижны (за исключением пекулярных собственных скоростей), а расширяется пространство, что и вызывает расширение волнового пакета. (См. в статье Космологическое красное смещение). Соотношение является приближённым, в то время как равенство

где -- расстояние в данный момент, есть точное равенство, то есть красное смещение линейно связано с расстоянием только приближённо для близких галактик, а скорость их удаления линейно возрастает с расстоянием точно. Таким образом, в последней формуле скорость V не соответствует скорости, рассчитываемой по эффекту Допплера.

В процессе расширения, если оно происходит равномерно, постоянная Хаббла должна уменьшаться, и индекс «0» при её обозначении указывает на то, что величина Н0 относится к современной эпохе. Величина, обратная постоянной Хаббла, должна быть в таком случае равна времени, прошедшему с момента начала расширения, то есть возрасту Вселенной.

Значение Н0 определяется по наблюдениям галактик, расстояния до которых измерены без помощи красного смещения (прежде всего, по ярчайшим звёздам или цефеидам). Большинство независимых оценок Н0 дают для этого параметра значение70--80 км/с на мегапарсек. Это означает, что галактики, находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью 7000--8000 км/с. В настоящее время наиболее надёжной (хотя и модельно зависимой) считается оценкаН0= (73,8 ± 2,4) км/(с·Мпк).

Проблема оценки Н0 осложняется тем, что, помимо космологических скоростей, обусловленных расширением Вселенной, галактики ещё обладают собственными (пекулярными) скоростями, которые могут составлять несколько сотен км/с (для членов массивных скоплений галактик -- более 1000 км/с). Это приводит к тому, что закон Хаббла плохо выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии ближе 10--15 млн. св. лет, то есть 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 z > 1. Расстояния до объектов с таким большим красным смещением теряют однозначность, поскольку зависят от принимаемой модели Вселенной и от того, к какому моменту времени они отнесены. В качестве меры расстояния в этом случае обычно используется только красное смещение.

В наше время наблюдениями, говорящими в пользу существования тёмной энергии, были, по-видимому, обнаружены отклонения от линейного закона Хаббла (как связи наблюдаемого красного смещения с расстоянием). Было обнаружено, что, по-видимому, наша Вселенная расширяется с ускорением. Этот факт не отменяет закона Хаббла, если его понимать как зависимость от расстояния в данный конкретный момент времени, то есть если учесть, что далёкие объекты мы наблюдаем в прошлом.

хаббл смещение галактика геоид

2. Что такое «геоид», его характеристика, форма. Почему Земля имеет именно такую форму?

Физическая фигура Земли ограничена поверхностью материков, морей и океанов. Объектом изучения является фигура твердой оболочки Земли - поверхность суши, дна морей и океанов. Физическая фигура Земли имеет сложную форму, поэтому для ее изучения, а также для решения теоретических и прикладных задач геодезии вводят более простые фигуры сравнения, среди которых важное место занимает геоид.

Поверхность, всюду перпендикулярная отвесным линиям, называется уровенной. Земля создает вокруг себя бесчисленное множество уровенных поверхностей.

Через одну точку пространства проходит только одна уровенная поверхность. С точки зрения механики уровенная поверхность есть поверхность равного потенциала силы тяжести и представляет собой фигуру равновесия жидкого или вязкого вращающегося тела, образующегося под действием сил притяжения и центробежных сил.

Среди множества уровенных поверхностей выделяют одну - главную, которую по предложению Листинга (1871г.) назвали геоидом, что означает «землеподобный». Поверхность геоида совпадает с поверхностью морей и океанов в их спокойном состоянии и мысленно продолжается под материки. Она проходит через начало счета высот и иногда называется отсчетной поверхностью.

Поверхность геоида все еще остается достаточно сложной для изучения. Она описывается бесконечными рядами, так называемыми разложениями по сферическим функциям. Если в рядах оставить конечное число членов, то получим ту или иную частную модель геоида. Наиболее простой моделью геоида является шар, далее - эллипсоид вращения, последующие модели не поддаются простой геометрической интерпретации. Поэтому изучают отступления геоида от некоторой фигуры сравнения, как правило, это будет двухосный эллипсоид.

Истинная форма поверхности Земли с ее неровностями и непрерывным изменением во времени бесконечно сложна. Определить ее для каждого момента времени практически невозможно, да и не нужно. Геодезисты ввели понятие «геоид» -- воображаемая поверхность, достаточно точно отображающая реальную поверхность нашей планеты и в то же время доступная для практического изучения.

Буквально «геоид» -- это «земноподобный». Это поверхность, которая приближенно совпадает со спокойной поверхностью Мирового океана и перпендикулярами к которой в каждой ее точке служат отвесные линии. Продолжив эту поверхность под материками так, чтобы во всех точках она оставалась уровенной, т. е. перпендикулярной к отвесной линии, получим полную поверхность геоида.

Изучение формы геоида составляет главную задачу высшей геодезии. Эта задача состоит из двух частей: определения параметроэллипсоида, наиболее близкого к геоиду, и положения отдельных точек геоида по отношению к эллипсоиду. Естественно, что в решении этих задач принимают участие и гравиметристы. Правда, гравиметрические методы позволяют определять только форму, но не размеры геоида. Вот почему сочетание геодезических и гравиметрических методов при изучении фигуры Земли совершенно необходимо.

Теоретически форму геоида можно представить следующим образом. В каждой точке Земли существует так называемый потенциал силы тяжести -- величина, характеризующая интенсивность, «напряженность» этой силы. Потенциал силы тяжести математически можно представить как сумму бесчисленного множества слагаемых, каждое из которых называется гармоникой. Чем больше слагаемых мы возьмем, тем точнее выразим потенциал силы тяжести, который и определяет форму геоида.

Как известно, геологически, Земля - активная планета. Слои, образующие Землю, имеют разную плотность и постоянно подвергаются геологическим процессам, тектонические движения пластов, смещение континентов, смещение центра инерции (хоть и минимальное), такие явления как приливы и отливы, атмосферные явления, которые происходят в гидросфере и атмосфере - все эти явления и плюс к этому вмешательство человека вызывают изменения на некоторых участках земной поверхности. Это порождает постоянные изменения в форме Земли геоиде.

Если учесть, что расстояние от центра Земли до ее поверхности есть величина постоянная (на самых высоких вершинах в год наблюдается не более 1-2 см снижения или повышения), а количество ресурсов внутри Земли почти не меняется и, проигнорировав другие воздействия, можно с легкостью утверждать, что главной причиной незначительных различий в гравитации на поверхности Земли является изменения в массе на поверхности. Таяние льдов уменьшает вес в некоторых местах, а плотины - увеличивают в других местах, все эти явления играют важное значение в различиях в гравитации на поверхности Земли. Опираясь на эти сведения, при помощи гравитационных измерений ученые могут определять, где и как меняется масса. Потому что когда масса меняет место, в той области наблюдаются изменения в гравитации.

С помощью гравитационных измерений можно определить даже малейшие изменения в массах. Изменения места одного тела на поверхности Земли значит изменение гравитации в этой области. В итоге, гравитационные измерения являются самым важным источником данных, которые используются для того, чтобы понять изменения в геоиде, более того, понять, какие явления служат причиной этих изменений. В определении мест масс, сместившихся на поверхности Земли с одного места на другое или, другими словами, в каком участке Земли вес увеличился или уменьшился, применяется метод измерения гравитаций с помощью спутников. Новейшие спутниковые технологии, применяемые для определения и наблюдения за изменениями в гравитации - это спутник Европейского Космического Агентства GOCE и спутник NASA GRACE. GOCE запланирован на то, чтобы во время полета вокруг своей орбиты точно отслеживать гравитационное поле Земли. Пролетая над местами, где сила притяжения сильная или слабая, с помощью сигналов, посылаемых прибором градиометр, спутник определяет различия в гравитации. А спутники GRACE - это спутники-близнецы, размещенные на одной орбите на расстоянии 220 м друг от друга и на высоте 500 км от Земли. С помощью микроволновых сигналов спутники измеряют расстояние между собой с такой точностью, что могут определить изменение меньше чем на сотую долю от ширины человеческого волоса. В то же время одинаково точно измеряют расстояние между ними и точкой на поверхности Земли. Пользуясь этими измерениями можно подсчитать разницу в гравитациях. Спутниковые данные GRACE предоставляют точность в 1000 раз больше, чем ныне существующие системы определения гравитации. Ученые, желающие воспользоваться преимуществами этих новых спутников, провели очень много работ и смогли определить множество интересных явлений, повлекших за собой изменения в геоиде, и выявили причины этих явлений.

Огромные волны на поверхности моря, которые возникли в результате землетрясения силой в 9 баллов по Рихтеру, произошедшего на острове Суматра в 2004 году, стали причиной возникновения на берегу прямого выступа высотой около 6 метров. По данным спутника GOCE, смещение центра инерции на поверхности Земли в этом районе вызвало смещение геоида на 18 мм. Это считается довольно высокой величиной для изменения геоида.

Изменения в массе полярных ледников также влияют на изменения в геоиде. Согласно данным, полученным от спутников GRACE, льды Гренландии и Антарктики тают гораздо быстрее, чем ожидалось. Растаявшие льды увеличивают уровень мирового океана на 0.41 мм каждый год, а тяжесть воды, образующейся в итоге таяния льдов, становится причиной изменения формы Земли.

Одно из интересных сведений, полученных на основе гравитационных данных спутника GRACE - это самая большая в мире плотина Три Ущелья в Китае, которая стала причиной изменения гравитации на поверхности Земли. Плотина возводится с целью сооружения водохранилища длиной 600 км и шириной 112 км. По завершении работ по строительству корпуса плотины, водохранилище будет содержать 39.3 миллиарда м³ воды, а глубина воды достигнет 175 метров. С повышением уровня воды 1,5 миллиарда человек будут вынуждены оставить свои дома. Было установлено, что огромная нагрузка скопленной в завершенных частях плотины вод увеличила величину гравитации в этом месте. Поэтому форма Земли или структура геоида изменилась вследствие водной нагрузки на это место.

Ученые установили, что строительство подобных сооружений и под воздействием других вмешательств форма Земли принимает все более круглую форму. Предполагается, что причиной этому стало наблюдаемое с окончанием ледникового периода ослабление нагрузки ледников на земную кору, особенно на полюсах. В некоторых областях Скандинавии и Канады вследствие таяния ледников каждый год Земля повышается на 1см. Также предполагается, что причиной округления могут быть и океанические течения, которые меняют свое направление и все больше направляются на экватор. Океанические течения перемещают воды растаявших ледников на экватор, что становится причиной увеличения нагрузки в районе экватора. Масса в полюсах уменьшается, а на экваторе увеличивается, что и способствует изменениям в форме Земли.

Многие ученые думают, что многие изменения в форме Земли происходят под воздействием климатических изменений. К сожалению, надо отметить, что в докладе о шестилетней работе Межправительственной группы экспертов по изменению климата было объявлено, что на 90% люди ответственны за глобальное потепление. Вследствие этих явлений геоидная структура стареющей Земли округляется с каждым днем. Вследствие округления радиус Земли увеличивается ежегодно на 0,4-0,8 мм¹¹. Явления, которые могут повлиять на изменения, находятся под постоянным наблюдением ученых. Согласно ученым, изменения в геоиде, происходящиe в результате смещения массы, играют важную роль в динамике Земли. Так что смещение масс, определяющееся изменениями в гравитации, является причиной замедления скорости вращения Земли вокруг своей оси. Полагается, что последствием изменения скорости вращения Земли может стать изменение дневного часового пояса. Исходя из всего этого можно сказать, что в будущем 24 часовой дневной пояс может удлиниться параллельно замедлению вращения.

Список литературы

1. Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания. - М., 2004.

2. Дубиищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - М., 2003.

3. Концепции современного естествознания. / Под ред. В.Н. Лавриенко, В.П. Ратникова. М.: ЮНИТИ, 1997.

4. Хокинг С. От Большого Взрыва до черных дыр. - М.: Мир,1990.

5. Шаткин Г.А. Наша планета - Земля // Наука и жизнь. -1999. -№5.

6. Материалы Википедии. Свободной энциклопедии:

Размещено на Allbest.ru