Теория:
В опытах по изучению излучения было показано, что чем дальше галактика, тем ниже частота излучения. Это можно объяснить эффектом Доплера, если предположить, что галактики «разбегаются» друг от друга. Скорость удаления галактики \(v\) пропорциональна расстоянию до неё \(r\).
Закон Хаббла: .
Коэффициент пропорциональности называют постоянной Хаббла:
\(H = 72 \ \frac{км}{с~⋅~Мпк}\).
В \(20\)-х годах \(XX\) века российский математик Фридман на основе общей теории относительности Эйнштейна получил уравнения, из которых следовало, что Вселенная не может находиться в равновесии, а должна сжиматься или расширяться.
Если предположить, что Вселенная расширяется после взрыва и все галактики разлетаются от его эпицентра, и применить закон Хаббла, то время, прошедшее от этого взрыва, можно оценить:
\(t_{взрыва}=\frac{r}{v}=\frac{r}{rH}=\frac{1}{H}≈1,3⋅10^{10}~лет. ~~ (1)\)
Поскольку скорость света в вакууме максимальна, то мы можем видеть только небесные тела, которые находятся в пределах радиуса Вселенной:
\(R_{Вселенной}=\frac{c}{H} \approx 1,24⋅10^{26}~ м. ~~ (2)\)
Эта гипотеза о расширении Вселенной называется теорией Большого взрыва, а время \(t_{взрыва}\) — возрастом Вселенной.
Теория Большого взрыва гласит, что ранняя Вселенная представляла собой среду с огромной плотностью энергии, температурой и давлением. В результате дальнейшего расширения и охлаждения создались условия, пригодные для формирования ядер водорода и гелия. Тепловое излучение этой эпохи дошло до нас в виде реликтового излучения (рис. \(1\)). Спустя примерно \(400\) млн лет после Большого взрыва из них сформировались первые звёзды.
 |
| Рис. \(1\). Панорама реликтового излучения. Красным цветом обозначены более горячие области, синим — более холодные |
Ещё в \(1931\) году швейцарский физик Цвикки пересчитал все галактики в одном скоплении и по их светимости оценил общую массу, а по красному смещению спектральных линий — разброс скоростей галактик. Он обнаружил, что скорости слишком велики и найденного по светимости количества материи явно недостаточно. Тогда он предположил существование тёмной материи.
Рассуждение, подтверждающее наличие тёмной энергии, заключается в следующем. Гравитация должна замедлять расширение Вселенной, а оно только ускоряется. Тёмная энергия не взаимодействует с фотонами, но проявляет гравитационные взаимодействия. Она имеет небарионную природу. Одно из её свойств — это так называемая антигравитация, которая и объясняет ускорение расширения Вселенной.