Количественной мерой красного смещения служит относительная величина увеличения длины волны, т. е. разность зарегистрированной и исходной («лабораторной») длины волны, делённой на исходную длину волны. Эту величину (её обычно обозначают буквой z) называют просто красным смещением — как и само явление. Это одна из основных наблюдаемых физических величин в космологии. Если значение красного смещения мало по сравнению с единицей, то справедливо приближенное соотношение между скоростью удаления галактики и величиной красного смещения: скорость V равна скорости света с, умноженной на красное смещение z. В этом приближении красное смещение можно интерпретировать как эффект Доплера, давно известный в физике.
В 1929 г. Эдвин Хаббл, которого нередко называют величайшим астрономом XX в., установил, что движение разбегающихся галактик следует простому закону: скорость V удаления от нас данной галактики пропорциональна расстоянию R до нее: V = HR. Это линейное соотношение между скоростью и расстоянием называют сейчас законом Хаббла, а коэффициент пропорциональности H — постоянной Хаббла. Величина H постоянна в том смысле, что она одинакова для всех галактик и не зависит ни от расстояния до галактики, ни от направления на неё на небе. По современным наблюдательным данным значение постоянной Хаббла лежит в пределах от 60 до 75 км в секунду на мегапарсек (в принятых в астрономии единицах).
Удаление галактик по закону Хаббла наблюдают сейчас до расстояний в несколько тысяч мегапарсек. О всеобщем разбегании галактик говорят как о расширении Вселенной, или космологическом расширении. Это самый грандиозный по пространственно-временному масштабу эволюционный феномен природы. Подробнее об истории его открытия и изучения можно узнать из книги [1].
Первоначально закон Хаббла был найден на расстояниях, не превосходящих 20 Мпк, причем и у Слайфера, и у Хаббла измеренные скорости удаления галактик были меньше сотой доли скорости света. В этом случае можно пользоваться приведенным выше приближенным соотношением между скоростью удаления галактик и красным смещением, которым в действительности и пользовался Хаббл для измерения скоростей галактик. С другой стороны, закон Хаббла можно использовать для оценки расстояний до не слишком далеких галактик: при известной постоянной Хаббла H и измеренном красном смещении z расстояние R до данной галактики дается отношением R = с · z/H.
Но при красных смещениях, сравнимых с единицей и превышающих её, это приближение уже не применимо и нужно пользоваться точной теорией распространения света в расширяющейся Вселенной. При этом зависимость расстояния от красного смещения принимает более сложный вид. Особенно интересно, что в эту зависимость входит ускорение, испытываемое разбегающимися галактиками. Отсюда возникает возможность измерить ускорение, с которым движутся галактики; а зная ускорение, можно оценить и силу, которая определяет динамику космологического расширения (о чем будет сказано далее). Распространение света в космологии рассматривается на основе общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна.
Ландау называл ОТО самой красивой теорией физики и никогда не сомневался в её правильности. И все же иногда говорят, что её применимость к описанию геометрии и динамики Вселенной как целого ещё не доказана. При этом чаще всего ссылаются на то, что ОТО проверена экспериментально значительно менее надежно, точно и многогранно, чем, скажем, классическая электродинамика, — отчасти из-за исключительной слабости гравитационного взаимодействия в сравнении с электромагнитным и двумя другими фундаментальными физическими взаимодействиями.
Но все развитие физической науки определенно свидетельствует в пользу ОТО. Прежде всего, эта теория прекрасно согласуется со всем комплексом наблюдательных данных о Солнечной системе. В этом случае ОТО уже давно стала почти инженерной наукой: современная теория движения планет является релятивистской теорией, в которой (в нужном приближении) учитываются эффекты слабого поля в ОТО. Так что полеты космических аппаратов к планетам Солнечной системы немыслимы без ОТО. Даже портативные автомобильные навигаторы GPS и ГЛОНАСС действуют с учетом эффектов ОТО. Далее, в последние годы получены новые данные, свидетельствующие о справедливости ОТО в приближении сильного поля. Например, показано, что наблюдаемое укорочение орбитального периода радиопульсара в двойной системе PSR 1913 + 16, обусловленное потерей углового момента двойной системой за счет гравитационных волн, согласуется с предсказанием ОТО с точностью лучше 0,4 %. Измеренная величина эффекта Шапиро (задержка электромагнитного сигнала в гравитационном поле) в системе из двух радиопульсаров PSR J0737-3039AB, плоскость орбиты которой лежит почти на луче зрения, согласуется с предсказанием ОТО с точностью до 0,1 %(!). К настоящему времени это служит наилучшей проверкой ОТО в пределе сильного поля. Наконец, стоит упомянуть и тот факт, что сейчас известно около тысячи кандидатов в черные дыры с массами от ~10 до миллиарда солнечных масс, все наблюдаемые свойства которых чрезвычайно похожи на свойства черных дыр, предсказываемые ОТО, и ни в одном случае из этого огромного числа объектов не удалось найти никаких противоречий с ОТО. Это позволяет обоснованно предполагать, что ОТО справедлива и в пределе экстремально сильных полей тяготения. Таким образом, нет никаких реальных оснований сомневаться в правомерности применимости ОТО для решения космологических задач.
1.2. Темная материя. В 1932 г. немецкий астроном Фриц Цвикки заметил, что кроме светящегося вещества галактик во Вселенной должны иметься еще и невидимые, «скрытые» массы, которые проявляют себя только своим тяготением. Он изучал скопление галактик в созвездии Волосы Вероники — крупное образование, содержащее тысячи звездных систем, подобных Туманности Андромеды или нашей Галактике. Галактики движутся в этом скоплении со скоростями, достигающими тысячи километров в секунду. Чтобы удержать их в объеме скопления, требуется тяготение, которое не способны создать одни только видимые, светящиеся массы самих галактик. Для этого необходимо более сильное тяготение, и согласно подсчетам Цвикки тут нужны дополнительные массы, которые примерно раз в 10 больше суммарной видимой массы галактик скопления.
Позднее, в 1970-е гг., усилиями астрономов СССР и США было обнаружено, что скрытые массы должны присутствовать не только в скоплениях галактик, но и в изолированных крупных галактиках. Я. Эйнасто, В. Рубин, Дж. Острайкер, Дж. Пиблс и их коллеги выяснили, что скрытые массы образуют невидимые гало крупных галактик. Эти гало — почти сферические образования, радиусы которых раз в 5-10 превышают размеры самих звездных систем. Такая крупная галактика, как, скажем, Туманность Андромеды или наша Галактика, состоит из звездной системы, погруженной в распределение невидимой массы, которое простирается на расстояния до сотни килопарсек (кпк) от центра галактики. Эти темные гало — как и дополнительные массы у Цвикки — проявляют себя только своим тяготением. Невидимое вещество, наполняющее гало галактик и скоплений, принято сейчас называть темной материей. Открытие темной материи — второе (после открытия космологического расширения) важнейшее событие в истории космологии.
1.3. Реликтовое излучение. В 1965 г. американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вилсон обнаружили, что вся Вселенная пронизана излучением, приходящим к нам изотропно, т. е. равномерно из всех направлений. Это третье из крупнейших открытий в космологии (о нем подробно рассказано в книге [2]). Максимум в спектре этого излучения приходится на миллиметровые волны, причем сам спектр, т. е. распределение излучения по длинам волн или частотам совпадает по форме со спектром абсолютно черного тела. Положение максимума в спектре излучения отвечает температуре около трех градусов абсолютной шкалы. В современных наблюдениях эта температура измеряется исключительно точно: T = 2,725 ± 0,003 K. Это излучение называют микроволновым фоном Вселенной, или ещё реликтовым излучением. Если говорить о нем на языке квантов, то можно сказать, что в мире имеется равновесный газ фотонов, равномерно заполняющих всё пространство. В каждом кубическом сантиметре Вселенной содержится примерно 500 реликтовых фотонов.
