Звідки ми знаємо, що Всесвіт розширюється?

Уяви, що на фотографії далека галактика виглядає червоною. Чи достатньо цього, щоб оголосити: Всесвіт розширюється? Поки що ні. Колір залежить і від зір, і від пилу, і від того, як зробили знімок. Астрономам потрібен значно точніший малюнок у світлі — та ще одне, незалежне вимірювання.

На великих масштабах галактики з більшою незалежно визначеною відстанню в середньому мають більший червоний зсув спектральних ліній. Це співвідношення описується розширенням Всесвіту; додаткову перевірку дає розтягнення спостережуваної тривалості спалахів наднових. Простежимо, як із двох вимірювань виходить такий висновок.

Шукаємо впізнавані лінії, а не червону фарбу

Спектр — це світло, розкладене за довжиною хвилі. У ньому є темні або яскраві лінії, пов’язані з атомними переходами. Їхні лабораторні довжини хвиль відомі. Цілий набір ліній допомагає впізнати випромінювач навіть тоді, коли всі вони зміщені.

Якщо впізнані лінії спостерігаємо на довших хвилях, маємо червоний зсув. Назва лишається тією самою й тоді, коли світло взагалі не належить до видимого діапазону. Астрономи порівнюють положення ліній зі зразком; їм не потрібно чекати, доки галактика помітно пересунеться на небі. NASA/STScI пояснює це на прикладі спектроскопії галактик.

Сам зсув ще не називає причини. Відносний рух теж змінює довжину хвилі, а різні гравітаційні умови впливають на частоту світла. Щоб перевірити космічну закономірність, потрібен другий стовпчик даних: відстань.

Відстань має пройти окремий шлях перевірки

Уяви дослідника, який спочатку визначив відстань зі зсуву, припустивши розширення, а потім тим самим набором чисел довів залежність зсуву від відстані. Він повернувся до власного припущення. Для перевірки потрібні відстані, відкалібровані іншим способом.

Наприклад, період зміни блиску цефеїди допомагає оцінити її справжню світність. Порівняння зі спостережуваним потоком дає відстань після калібрування й поправок. На більших масштабах використовують інші пов’язані індикатори, зокрема наднові типу Ia. Деталі цих переходів розібрані в уроці про космічну драбину відстаней.

Коли такі відстані зіставили зі спектральними зсувами, виявився загальний тренд: далі — у середньому більший зсув. У первинній роботі Габбла 1929 року видно і залежність, і розкид, і обговорення власних рухів галактик. Її історична шкала відстаней згодом змінилася; сучасну швидкість розширення не беруть із числового нахилу того старого графіка.

Низькозсувну залежність називають законом Габбла — Леметра. У простому наближенні внесок розширення у віддалення пропорційний відстані. Подивімося на арифметику цієї пропорційності, свідомо відділивши її від справжніх вимірювань.

Один закон — три умовні відстані

Навчальна модель: H₀ = 70 км/с на Мпк

Умовна галактика A

Відстань: 20 Мпк

Внесок розширення у віддалення: 1400 км/с

Умовна галактика B

Відстань: 40 Мпк

Внесок розширення у віддалення: 2800 км/с

Умовна галактика C

Відстань: 60 Мпк

Внесок розширення у віддалення: 4200 км/с

Удвічі більша відстань → удвічі більший внесок розширення.

Це розраховані приклади v = H₀d, не спостережувані галактики чи вимірювання H₀. Обидві шкали лінійні й починаються з нуля: повна смуга відстані — 60 Мпк, швидкості — 4200 км/с. Довжини різних величин між собою не порівнюємо. Власні рухи та похибки опущено; в реальних даних вони дають розкид навколо загального тренду. Число 70 обране для арифметики.

Що означає «розширюється» у фізичній моделі

У великомасштабній космологічній моделі середній розподіл речовини описують як приблизно однорідний. Відстані між об’єктами, які слідують загальному космічному потоку, змінюються разом із масштабним фактором. Це число описує, як змінився просторовий масштаб між двома епохами.

Поки світло поширюється між такими об’єктами, його довжина хвилі теж збільшується відповідно до зміни цього масштабу. Зіставляємо випущену хвилю біля джерела зі спостережуваною біля приймача. Нам не потрібен зовнішній простір, у який мусить роздуватися Всесвіт. Математичний зв’язок масштабу й червоного зсуву наведено в огляді космології Particle Data Group, §22.1.1–22.1.2.

Це також не вимагає, щоб наша Галактика стояла в особливому центрі. За однакового збільшення всіх великих відстаней інший спостерігач, що слідує потоку, отримав би таку саму загальну закономірність навколо себе. Тут описуємо середній космічний масштаб, а не розміри кожного предмета.

Віддалення далеких галактик і зміна темпу розширення з часом — різні питання. Один нахил залежності «відстань — віддалення» сьогодні ще не вимірює, як цей нахил еволюціонував упродовж космічної історії.

Відгалуження · з формуламиНеобов’язково · можна пропустити

Що обчислюють із червоного зсуву?

Позначимо випущену довжину хвилі через $\lambda_{\rm em}$ , спостережувану — через $\lambda_{\rm obs}$ . Безрозмірний зсув:

z=\frac{\lambda_{\rm obs}-\lambda_{\rm em}}{\lambda_{\rm em}}.

Для умовної лінії 500 нм, яку побачили на 505 нм:

z=\frac{505-500}{500}=0{,}01.

Це збільшення довжини хвилі на 1%. Для суто космологічного зсуву в однорідній моделі:

1+z=\frac{a_{\rm obs}}{a_{\rm em}}.

Тут $a$ — масштабний фактор, а індекси позначають епохи спостереження й випускання. Додаткові власні рухи та гравітаційні зсуви слід ураховувати окремо. За малого $z$ і придатної поправки на власний рух маємо наближення:

cz\approx H_0d.

$c$ — швидкість світла, $d$ — відстань у цьому низькозсувному наближенні, $H_0$ — теперішній параметр розширення. Візьмемо умовне $H_0=70$ км/с на мегапарсек; мегапарсек — мільйон парсеків. Для $z=0{,}01$ отримаємо $cz\approx2998$ км/с і $d\approx42{,}8$ Мпк. Це приклад використання закону після його перевірки, а не незалежний доказ цього ж закону.

На великих $z$ не можна беззастережно називати $cz$ швидкістю і підставляти її в ту саму просту формулу: потрібна космологічна залежність між зсувом і обраним видом відстані.

Разом зі світлом перевіряємо тривалість події

Розширення має ще один перевірний наслідок. Якщо послідовні сигнали надходять із довшими інтервалами, спостережувана зміна блиску далекої наднової має тривати довше відповідно до її зсуву. Для однакової тривалості в системі джерела множник дорівнює $1+z$ : умовні 20 діб при $z=1$ спостерігалися б як 40 діб.

Наднові не є ідентичними секундомірами. Потрібно врахувати їхнє власне різноманіття й порівнювати відповідні ділянки спектра в системі джерела. Аналіз Dark Energy Survey 2024 року перевірив часову залежність на 1504 наднових типу Ia після відбору якісних даних; результат узгоджується з очікуваним розтягненням $1+z$ .

Отже, пояснення має узгодити не лише зміну довжини хвилі, а й перебіг подій. Проста ідея, за якою фотон лише втрачає енергію дорогою без зміни часових інтервалів, такої перевірки не проходить. Це додаткова опора для фізичного тлумачення зсуву, а не повторне обчислення відстані з того самого числа.

Окрема галактика може наближатися

Кожна галактика бере участь і в місцевому гравітаційному русі. У близькому оточенні він може переважити невеликий внесок загального розширення. Тому окремі від’ємні зсуви й розкид навколо середньої залежності очікувані. Важливо порівнювати достатню вибірку та враховувати рух спостерігача, похибки й потоки речовини.

Перевір свій висновок: чи спростувала б одна близька галактика із синім зсувом увесь тренд? Ні: вона могла мати достатній власний рух до нас. Натомість відсутність загальної залежності у великій правильно відкаліброваній вибірці була б істотною проблемою для такого опису.

Зв’язані системи теж не слідують простому масштабуванню разом із космічним потоком: планетні орбіти й галактики утримує їхня внутрішня динаміка. Тому загальний тренд віддалення не означає, що щодня в тому самому відношенні збільшуються Земля або лінійка. Космологічний FAQ астронома Неда Райта окремо розбирає цю межу застосування.

Відгалуження · стан вимірюваньНеобов’язково · можна пропустити

Чому різні аналізи дають різний H₀?

Виміряти наявність розширення й точно встановити його теперішній темп — завдання різної складності. Для орієнтиру наведемо два конкретні аналізи, перевірені станом на 30 жовтня 2026 року.

H₀ Distance Network, опублікований у 2026 році, отримав 73,50 ± 0,81 км/с на Мпк із мережі локальних індикаторів відстані, врахувавши спільні похибки та кореляції калібрувань. Натомість аналіз Planck 2018, опублікований у 2020 році, вивів 67,4 ± 0,5 км/с на Мпк із реліктового випромінювання за припущення стандартної просторово пласкої шестипараметричної моделі ΛCDM.

Другий шлях використовує модель, щоб пов’язати ранній Всесвіт із теперішнім; це не пряме вимірювання сучасного віддалення галактик. Незгоду таких визначень називають напруженням Габбла. Ці дві цифри не охоплюють усіх методів і самі собою не доводять конкретної нової фізики. Потрібні подальші перевірки систематик, калібрувань і модельних припущень.

У навчальній схемі ми навмисно лишили кругле число 70. Воно робить пропорцію прозорою й не видає один із реальних результатів за остаточну відповідь.

Висновок тримається на узгодженні перевірок

Спектральні лінії дають зсув; окремо відкалібровані індикатори — відстань. Їхня систематична залежність і часовий перебіг далеких наднових узгоджуються з розширенням Всесвіту. Власні рухи пояснюють, чому конкретна галактика може відхилятися від середнього тренду.

Саме розширення ще не встановлює всіх деталей початку, складу чи майбутнього Всесвіту. Для гарячого минулого потрібні додаткові докази. А щоб краще побачити найвразливіший крок сьогоднішнього пояснення, повернися до незалежного визначення космічних відстаней: без нього два стовпчики спостережень легко переплутати з одним припущенням.