Задача 7: Балонен модел на разширяване на Вселената

Изобщо не е лесно да си представим разширяването на Вселената. Още повече, че се ограничаваме само до основните ѝ характеристики. Прилага се само за големи разстояния и между космически обекти, чието гравитационно привличане може да бъде пренебрегнато – обикновено между галактики, отдалечени на десетки милиони светлинни години и повече една от друга. И обратно, в рамките на Слънчевата система, Млечния път или Местната група от галактики, ние не наблюдаваме и не вземаме предвид този ефект поради наличието на гравитация (например галактиката М31 от нашата Местна група не се отдалечава от Млечния път, точно обратното – след около един милиард светлинни години ще се сблъска с него).

Цел на задачата

Целта на дейността и работния лист е да се създаде представа за това как галактиките се отдалечават една от друга. Ситуацията може да се сравни със стафидите във втасващо тесто (виж Фиг. 14). Гуменият балон, използван в дейността, е лесно достъпен като помощно средство, но в сравнение с нашата триизмерна вселена, площта на балона се различава по това, че тя има само две измерения. Моделът показва, че по отношение на площта на балона няма смисъл да се занимаваме с някакъв център на разширение, тъй като той със сигурност не лежи на повърхността му (в балона бихме го търсили някъде „вътре“, но в пространството това не можем да направим). Вместо точки, нарисувани с маркер, можем да използваме малки стикери (като например етикети за цени или стикери за коледни звезди; трябва обаче да помним, че разширяването се отнася до разстоянията между галактиките, а не до звездите в галактиките). Определянето на разстоянията в три последователни стъпки трябва да покаже, че колкото по-далеч са галактиките (стикерите на балона) от нашата Галактика, толкова по-голямо е разстоянието след всяко едно надуване (увеличава се и скоростта на отдалечаване).

За по-любопитните ученици можем да добавим, че за скоростта на “разбягване” на галактиките важи относително простият закон на Хъбъл:

където d е разстоянието до галактиката, а H е т. нар. параметър на Хъбъл, чиято стойност се променя с течение на времето. Текущата стойност се нарича константа на Хъбъл H₀ и нейната стойност е около 70 километра за секунда на мегапарсек. В константата можем да видим и вече познати единици - скоростта, измервана в km/s и разстоянието, измервано в Mpc. Можем да определим скоростта на отдалечаване от спектъра на електромагнитното излъчване. Тъй като не става въпрос за собственото движение на галактиките в пространството, а за разширяването на самото пространство, то разширяването може дори да надвиши скоростта на светлината (за много далечни галактики). Именно с помощта на скоростта на разширяването и константата на Хъбъл се изчисляват най-големите разстояния във Вселената, което не можем да направим по никакъв друг начин.