Лестница в небо: о расстояниях во Вселенной

Здесь, на Земле, мы легко определяем расстояния между любыми точками. Но космос – как измерить расстояния там, где не ступала нога человека? Где царят пыль, газ и невидимая глазу темная материя? Как определить расстояния до звезд, которые видны лишь при помощи мощных телескопов, и все это – в постоянно расширяющейся Вселенной? Ученые отвечают на эти вопросы при помощи удивительного «инструмента» — лестницы космических расстояний.

Понимание расстояний во Вселенной решает множество актуальных вопросов. Не зная расстояния до объектов, ученые не смогли бы отличить близкую тусклую звезду от далеких квазаров – одних из самых ярких объектов в видимой Вселенной, поскольку от этих объектов до нас доходит примерно одинаковое количество световой энергии.

Лестница космических расстояний – надежный метод определения расстояний во Вселенной. Это совокупность приемов, где каждый следующий базируется на стабильных данных предыдущего – получается, действительно, лестница, которая позволяет определиться с расстояниями. Для начала – внутри Солнечной системы, затем – до ближайших звезд, после — в пределах нашей галактики, Млечного пути, ну и, наконец, расстояния до ближайших и далеких галактик.

Первый «кирпич» лестницы расстояний лежит на Земле – это так называемый базис, известное расстояние между двумя точками. Для вычисления расстояния до объекта в космосе применяется параллакс — смещение более близкого объекта на фоне гораздо более далеких при перемещении наблюдателя. Каждый из нас может примерить на себя роль астронома, вытянув вперед большой палец и закрыв им Луну: палец будет смещаться в зависимости от того, каким глазом мы будем смотреть, и Луна будет то видна, то нет. Зная расстояние между «наблюдателями» и угол смещения, можно определить расстояние до объекта.

На этом эффекте и строятся первые ступени лестницы расстояний. Нижняя ступень построена на тригонометрических параллаксах – тех, что измерены непосредственно с Земли или с помощью космических миссий. Сегодня, благодаря современным возможностям радиолокации, расстояния между объектами Солнечной системы известны очень точно, вплоть до метров и сантиметров: первая ступень лестницы невероятно прочна.

Если говорить о методе параллакса, то остальные ступени лестницы расстояний выстраиваются на основании полученных ранее астрономических данных.

Межзвездные расстояния измеряются в парсеках – мере расстояния, при котором параллакс объекта равен одной угловой секунде. Чтобы лучше представить, что это такое, можно вспомнить несколько фактов:

— одна угловая секунда – это рублевая монета с расстояния 4 км;

— 1 парсек свет пройдет за 3,26 года;

— ближайшая к нам звезда (не считая Солнца) Проксима Центавра находится на расстоянии чуть более 1 парсека.

Также расстояние до далекого яркого объекта можно определить по излучению, которое от него исходит. Правда, есть сложность: из-за пыли и газа часть излучения от далеких объектов теряется на пути к Земле. Это ослабляет «ступени» лестницы расстояний, но этот метод позволяет «добираться» до расстояний в тысячи, миллионы, и даже миллиарды световых лет.

Здесь на помощь астрономам приходят цефеиды – очень яркие звезды-гиганты. Они видны даже в соседних галактиках. Измерив период изменения блеска цефеиды, можно определить ее светимость — мощность излучения световой энергии. Зная, сколько энергии приходит от этой звезды на Землю, можно вычислить расстояние. Благодаря этому свойству цефеиды часто именуют «маяками Вселенной».

Последняя на сегодняшний день ступень, расстояния до самых далеких галактик, которые мы можем наблюдать сегодня, строится на вспышках сверхновых звезд типа Ia: поскольку нам известна мощность ее взрыва (она всегда одинакова), можно узнать и расстояние до нее.

Споры вокруг лестницы расстояний

Уже почти сто лет ученые наблюдают галактики, раскладывая их свет в радужные полоски — спектры. По сравнению с близкими галактиками, в свете далеких звездных островов доминирует красная часть. Специалисты говорят — красное смещение. Этот факт объясняют расширением пространства-времени наблюдаемой Вселенной. Специальное число, «постоянная Хаббла», показывает, как быстро этот процесс протекает. Величина постоянной Хаббла, определенная с помощью лестницы расстояний, оказалась равной 73.52 ± 1.62 км/c/Mпк.

Когда речь идет о большой Вселенной, изучении так называемого реликтового излучения, несущего информацию о процессах, имевших место во Вселенной в первые секунды ее существования, появляются другие возможности для оценки величины постоянной Хаббла. Благодаря цифровым обзорам неба и космической обсерватории Planck, получается значение 67.4 ±0.5 км/c/Mпк.

Тот факт, что эти оценки сильно отличаются друг от друга, является одной из проблем современной астрономии. Ученые пытаются объяснить это расхождение. Наша надежная лестница расстояний дает постоянную Хаббла для «ближней части Вселенной». Результаты анализа данных спутника Planck можно условно считать основанными на изучении «дальней Вселенной». Одни ученые (их меньшинство) полагают, что, возможно, законы природы в ранней (дальней) Вселенной были не такими, как сейчас (в ближней Вселенной). Другие настойчиво ищут объяснение в том, что «просела» какая-то из ступенек лестницы космических расстояний. Споры продолжаются и их разрешение, возможно, изменит наше представление о Вселенной.

По материалам лекции кандидата физ.-мат. наук, старшего научного сотрудника Лаборатории Астрометрии и Звездной Астрономии Пулковской обсерватории (ГАО РАН) М.Ю. Ховричева «Как работает лестница космических расстояний?»

Еще больше о тайнах Вселенной можно узнать на лекциях, которые проходят в Обсерватории. Следите за новостями!