Красное смещение

Космология
Ilc 9yr moll4096.png
Изучаемые объекты и процессы
История Вселенной
Наблюдаемые процессы
Теоретические изыскания

Красное смещение — явление, при котором электромагнитное излучение увеличивает свою длину волны (например, свет становится более красным), соответственно, его частота и энергия уменьшается. Противоположное, но аналогичное по своей природе явление называется синим смещением[1].

Красное смещение и синее смещение

Есть и другие эффекты, которые могут приводить к видимому покраснению, но имеют совершенно другую природу и проявляются по-другому, например, межзвёздное покраснение.

ИсторияПравить

В XIX веке активно развивалась волновая теория света, а в 1842 году был открыт и описан эффект Доплера[2]. Сам Доплер правильно предсказал, что этот эффект должен работать для всех волн, но выдвинул ошибочную гипотезу, что различия в цветах звёзд вызваны их движением относительно Земли. В дальнейшем выяснилось, что цвет звезды зависит от температуры её поверхности[3], однако, в 1848 году французский физик Ипполит Физо открыл, что эффект Доплера вызывает смещение спектральных линий звёзд.

В 1868 году британский астроном Уильям Хаггинс впервые определил радиальную скорость звезды, измерив смещение спектральных линий[4], а в 1871 было замечено, что подобный эффект наблюдается у Солнца и вызван его вращением[5]. В 1887 году немецкие учёные открыли годичное изменение красного смещения звёзд, вызванное вращением Земли вокруг Солнца[6], а в 1901 русский астроном Аристарх Белопольский подтвердил существование этого эффекта в лабораторных условиях с помощью системы вращающихся зеркал[7].

Термин «красное смещение» впервые использовал для описания явления американский астроном Уолтер С. Адамс в 1908 году[8].

В 1912 году американский астроном Весто Слайфер заметил, что большинство спиральных галактик (в то время они считались туманностями спиральной формы) имеют заметное красное смещение, но заметил, что у туманности Андромеды, наоборот, наблюдается синее смещение, и её радиальная скорость равна –300 км/с[9][10]. Суммарно он измерил скорости 15 галактик, и оказалось, что только 3 из них приближаются к Земле, а остальные удаляются. Впоследствии Эдвин Хаббл обнаружил, что красное смещение (а значит, и радиальная скорость) галактики связаны с расстоянием до неё, что теперь известно, как закон Хаббла[11], а в 1922 году Александр Фридман вывел уравнение Фридмана[12], которое считается доказательством расширения Вселенной и её возникновения в результате Большого взрыва[13].

ИзмерениеПравить

 
Красное смещение
 
High-redshift galaxy candidates in the Hubble Ultra Deep Field 2012[14]

Если получен спектр объекта, то его красное смещение легче всего измерять по спектральным особенностям, таким, как линии поглощения или испускания. Затем нужно определить, какому элементу соответствуют найденные линии, и, следовательно, их лабораторную длину волны (или частоту)[15]. Безразмерная величина z может определяться следующим образом[16]:

Вычисление  
По длине волны По частоте
   
   

Изменение длины волны пропорционально самой длине волны, то есть, для всего спектра z постоянна. Величина z положительна при красном смещении и отрицательна при синем.

Теория красного смещенияПравить

В обоих случаях (Доплеровского эффекта или эффектов ОТО) параметр смещения z определяется как:

 [1]

где   и   — значения длины волны в точках наблюдения и испускания излучения соответственно.

Доплеровское смещение длины волны в спектре источника, движущегося с лучевой скоростью   и полной скоростью  , равно

 

Гравитационное красное смещение было предсказано А. Эйнштейном (1911) при разработке общей теории относительности (ОТО). В линейном относительно гравитационного потенциала приближении

 

где   и   — значения гравитационного потенциала в точках наблюдения и излучения соответственно.   в том случае, когда в точке наблюдения потенциал больше (а модуль его меньше, так как потенциал — величина отрицательная).

Для массивных компактных объектов с сильным полем тяготения (например, нейтронных звёзд и чёрных дыр) следует пользоваться точными формулами. В частности, гравитационное красное смещение в спектре сферического тела массой   и радиусом   (где   — гравитационный радиус,   — гравитационная постоянная) определяется выражением

 

Наблюдение красного смещенияПравить

Каждый химический элемент поглощает или излучает электромагнитные волны на строго определённых частотах. Поэтому каждый химический элемент образует в спектре неповторимую картину из линий, используемую в спектральном анализе. В результате слабой диффузии, эффекта Доплера, эффектов ОТО, частота излучения от удалённых объектов, например, звёзд, может изменяться (понижаться или повышаться), а линии соответственно будут смещаться в красную (длинноволновую) или синюю (коротковолновую) часть спектра, сохраняя, однако, своё неповторимое относительное расположение. Смещение линий в красную сторону (обусловленное удалением объекта) и называется «красным смещением».

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. 1 2 Красное смещение
  2. Doppler, Christian. Beiträge zur fixsternenkunde. — Prague: G. Haase Söhne, 1846. — Т. 69.
  3. O'Connor, John J. Christian Andreas Doppler. MacTutor History of Mathematics archive. University of St Andrews (1998).
  4. Huggins, William. Further Observations on the Spectra of Some of the Stars and Nebulae, with an Attempt to Determine Therefrom Whether These Bodies are Moving towards or from the Earth, Also Observations on the Spectra of the Sun and of Comet II (англ.) // Philosophical Transactions of the Royal Society of London : journal. — 1868. — Vol. 158. — P. 529—564. — doi:10.1098/rstl.1868.0022. — Bibcode1868RSPT..158..529H.
  5. Reber, G. Intergalactic Plasma (англ.) // Astrophysics and Space Science (англ.) : journal. — 1995. — Vol. 227, no. 1—2. — P. 93—96. — doi:10.1007/BF00678069. — Bibcode1995Ap&SS.227...93R.
  6. Pannekoek, A. A History of Astronomy. — Dover, 1961. — С. 451. — ISBN 978-0-486-65994-7.
  7. Bélopolsky, A. On an Apparatus for the Laboratory Demonstration of the Doppler-Fizeau Principle (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1901. — Vol. 13. — P. 15. — doi:10.1086/140786. — Bibcode1901ApJ....13...15B.
  8. Adams, Walter S. Preliminary catalogue of lines affected in sun-spots (англ.) // Contributions from the Mount Wilson Observatory / Carnegie Institution of Washington : journal. — Contributions from the Solar Observatory of the Carnegie Institution of Washington: Carnegie Institution of Washington, 1908. — Vol. 22. — P. 1—21. — Bibcode1908CMWCI..22....1A. Reprinted in Adams, Walter S. Preliminary Catalogue of Lines Affected in Sun-Spots Region λ 4000 TO λ 4500 (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. — IOP Publishing, 1908. — Vol. 27. — P. 45. — doi:10.1086/141524. — Bibcode1908ApJ....27...45A.
  9. Slipher, Vesto. The radial velocity of the Andromeda Nebula // Lowell Observatory Bulletin. — 1912. — Т. 1. — С. 2.56—2.57. — Bibcode1913LowOB...2...56S.
  10. Slipher, Vesto. Spectrographic Observations of Nebulae (англ.) // Popular Astronomy. — 1915. — Vol. 23. — P. 21—24. — Bibcode1915PA.....23...21S.
  11. Hubble, Edwin. A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1929. — Vol. 15, no. 3. — P. 168—173. — doi:10.1073/pnas.15.3.168. — Bibcode1929PNAS...15..168H. — PMID 16577160.
  12. Friedman, A. A. Über die Krümmung des Raumes (нем.) // Zeitschrift für Physik : magazin. — 1922. — Bd. 10, Nr. 1. — S. 377—386. — doi:10.1007/BF01332580. — Bibcode1922ZPhy...10..377F. English translation in Friedman, A. On the Curvature of Space (англ.) // General Relativity and Gravitation : journal. — 1999. — Vol. 31, no. 12. — P. 1991—2000. — doi:10.1023/A:1026751225741. — Bibcode1999GReGr..31.1991F.)
  13. This was recognized early on by physicists and astronomers working in cosmology in the 1930s. The earliest layman publication describing the details of this correspondence is Eddington, Arthur. The Expanding Universe: Astronomy's 'Great Debate', 1900–1931 (англ.). — Cambridge University Press, 1933. (Reprint: ISBN 978-0-521-34976-5)
  14. Hubble census finds galaxies at redshifts 9 to 12. Дата обращения 13 декабря 2012.
  15. See, for example, this 25 May 2004 press release from NASA's Swift space telescope that is researching gamma-ray bursts: "Measurements of the gamma-ray spectra obtained during the main outburst of the GRB have found little value as redshift indicators, due to the lack of well-defined features. However, optical observations of GRB afterglows have produced spectra with identifiable lines, leading to precise redshift measurements."
  16. See [1] for a tutorial on how to define and interpret large redshift measurements.

СсылкиПравить