Внегалактическая астрономия и модель расширяющейся Вселенной

Мир галактик

Млечный Путь — одна из огромного числа звёздных систем. Галактика — гравитационно связанная система звёзд, газа, пыли и тёмной материи. Спиральные галактики имеют диск и рукава, эллиптические — более гладкое распределение старых звёзд, неправильные не обладают простой симметрией.

Галактики образуют группы, скопления и крупномасштабную сеть. На масштабах больше скоплений Вселенная статистически однородна и изотропна: нет выделенного центра или направления в наблюдаемом распределении. Это утверждение относится к большим масштабам, а не к каждой локальной области.

Солнце находится в диске Млечного Пути, в области одного из спиральных рукавов, примерно в $8\text{кпк}$ от центра, и обращается вокруг галактического центра вместе с другими звёздами. Яркая полоса Млечного Пути на небе возникает потому, что вдоль диска мы видим особенно много звёзд и пыли. Это наше положение внутри Галактики, а не отдельная туманность рядом с ней.

Активные ядра галактик получают энергию главным образом при падении вещества к сверхмассивной чёрной дыре. Очень яркое активное ядро может наблюдаться как квазар, а мощные радиоструи и области радиоизлучения характерны для радиогалактик. Свет приходит от горячего вещества вне горизонта событий. Наблюдаемую часть Вселенной называют Метагалактикой: её границы определяются возможностью получить сигнал, а не физической стеной.

Два одинаково размеченных треугольника галактик: позднее все расстояния больше в одной пропорции, размеры значков галактик прежние.

Красное смещение и закон Хаббла

Спектральные линии далёких галактик сдвинуты к большим длинам волн. Красное смещение определяют как $z=(\lambda -{\lambda }_0)/{\lambda }_0$. Для небольших $z$ его можно интерпретировать как скорость удаления $v\approx cz$.

Закон Хаббла — Леметра: скорость космологического удаления близких галактик пропорциональна расстоянию до них.

Постоянная $H_0$ имеет порядок $70\text{км/с/Мпк}$. Расширяется само метрическое расстояние между несвязанными областями пространства; галактики, звёздные системы и атомы не растягиваются вместе с ним, потому что их удерживают локальные взаимодействия.

Модель горячей Вселенной

Если мысленно обратить расширение назад, вещество и излучение оказываются горячее и плотнее. Большой взрыв — космологическая модель ранней горячей и плотной стадии Вселенной и её последующего расширения, а не взрыв вещества из одной точки в готовом пространстве.

Основные свидетельства включают расширение, реликтовое микроволновое излучение с температурой около $2,7\text{К}$ и соотношение первичных лёгких элементов. Реликтовое излучение отделилось от вещества, когда Вселенная остыла настолько, что электроны связались с ядрами и пространство стало прозрачным.

Свет далёких объектов идёт миллиарды лет, поэтому астрономия наблюдает прошлое. Для больших $z$ нельзя заменять космологическую скорость величиной $cz$ или считать расстояние равным $cz/H_0$. Связь наблюдаемого красного смещения с расстоянием рассчитывают по космологической модели; соотношение скорости расширения и собственного расстояния в один космический момент сохраняет вид $v=H(t)d$.

Тёмная материя и тёмная энергия

Скорости звёзд в галактиках, движение скоплений и гравитационное линзирование указывают на массу, не испускающую достаточно света. Её называют тёмной материей; она взаимодействует гравитационно, но её микроскопическая природа пока не установлена. Это вывод по совокупности независимых измерений, а не просто название невидимого обычного газа.

Наблюдения далёких сверхновых и другие данные показывают, что современное расширение ускоряется. Компонент, описывающий этот эффект, называют тёмной энергией; простейшая модель использует космологическую постоянную. Названия фиксируют наблюдаемые роли, но не дают окончательного физического объяснения.

Космологические измерения

Расстояния строят ступенями: параллакс к близким звёздам калибрует более яркие стандартные свечи, а затем сверхновые и другие методы достигают далёких галактик. Спектры дают красные смещения, а угловые размеры, яркости и статистика структуры проверяют модель.

Любой космологический параметр получают совместным анализом данных с погрешностями и допущениями. Совпадение реликтового фона, нуклеосинтеза, расширения и роста структуры делает современную модель сильной, но различия некоторых независимых измерений показывают, что исследования продолжаются.