Определите чем вызван эффект космологического красного смещения

Космологическое красное смещение – что это такое?

Пожалуй, одним из самых главных наблюдаемых параметров всех космологических объектов является так называемое красное смещение, на основании которого сделан вывод о расширении Вселенной. Суть этого явления в космологии состоит в смещении линий спектра излучения светящихся объектов в сторону более длинных волн. Известно, что возбужденные атомы разреженных газов или паров, которые могут возникнуть при нагревании любого химического элемента, испускают свет, разложение которого на призме образует линейчатый спектр, состоящий из отдельных цветных линий. При этом каждый химический элемент имеет характерный именно для него линейчатый спектр. Вызвано это тем, что атомы таких элементов, изолированные друг от друга, излучают свет только определенных длин волн. Эти волны имеют строго определённые резонансные частоты, которые в специальных приборах – спектроскопах – видны как темные или светлые линии в определённых частях спектра, характерных именно для этого вещества. Сдвиг этих исходных спектральных линий химических элементов в сторону более длинных волн, в «красную» сторону и называется красным смещением. В космологии красное смещения обозначают через z и определяют его как относительный прирост длины волны:

В более общем виде это уравнение записывают следующим образом:

Все величины, помеченные индексом 0, относятся к моменту приёма волны . Так как в расширяющейся Вселенной , то и длина волны принимаемого сигнала больше, чем излучённого. Величина , называемая параметром красного смещения, равна относительному увеличению длины волны принимаемого электромагнитного сигнала» [4]. Величина красного смещения зависит от относительной скорости движения объектов – передатчика, генератора волны, и получателя, поэтому красное смещение позволяет определить эту относительную скорость. Вместе с тем, функциональная зависимость между скоростью и красным смещением нередко приводится в разных вариантах: «Смещение линий в спектре небесного тела к красному концу (в сторону большей длины волны) в результате эффекта Доплера при удалении тела, а также под действием его гравитационного поля. Численно красное смещение обычно характеризуют величиной z=(λ – λ₀)/λ₀, где λ – длина волны спектральной линии в излучении, приходящем от космического источника; λ₀ – длина волны той же линии, измеренная в спектре неподвижного лабораторного источника. При небольших скоростях движения эффект Доплера вызывает красное смещение (или голубое, если источник приближается к наблюдателю), пропорциональное лучевой скорости (v): z = v/c, где c – скорость света. При v ~ c эта зависимость становится сложнее» [7]:

Приведённое в цитируемой заметке выражение в литературе нередко имеет иной вид:

Заметим, что в двух последних цитатах обозначения длин волн имею противоположную индексацию, но по смыслу они тождественны. Приведённые диапазоны применимости красного смещения и соответствующие им уравнения в литературе встречаются повсеместно, однако их обоснование в широком доступе отсутствует. Во-первых, из каких соображений выведено уравнение, связывающее скорости и красное смещение при больших скоростях? Во-вторых, из чего следуют диапазоны их корректных соотношений?

Красное смещение

Впервые явление сдвига спектральных линий в спектрах звёзд при спектральном анализе было замечено французом И. Физо в 1848 году и он предложил это явление объяснить с помощью эффекта Доплера. Суть явления проста: чем больше смещение в красную сторону в спектрограмме объекта, тем быстрее удаляется от нас объект. Вообще, при удалении свет от объекта «краснеет», а при приближении «сдвигается» в фиолетовую сторону. Красное смещение есть и у целых галактик. Благодаря красному смещению было открыто вращение галактик. С одного края свет от галактики смещается в красную сторону, с другого — в фиолетовую. Соответственно, она вращается! Далёкие галактики имеют большее смещение, нежели близкие, и величина его растёт пропорционально расстоянию. Следовательно, чем дальше галактика — тем быстрее она удаляется от нас.
Красное смещение, в соответствии с теорией относительности, рассматривается в концепции расширения пространства. Смещение это также вызвано и расширяющимся пространством, и собственным движением галактик. Объясняется все просто: за время путешествия в космосе света от источника до нас, происходит еще и расширение пространства. Как следствие, расширяется и длина волны от источника во время своего пути. При двукратном расширении пространства, длина волны тоже увеличится вдвое.

Расширение пространства

Красное смещение – индикатор расширения Вселенной. В процессе расширяющегося пространства, галактики увеличивают расстояния между собой, но их координаты остаются прежними. Этот процесс можно уяснить, если представить, что пространство – это резиновый шарик, на который «приклеены» галактики. При её сферичной форме, расстояния между объектами будут расти во всех точках при надувании шарика. Только вот центра, от которого происходит удаление, не будет. Но тогда должны изменяться линейные размеры и внутри Солнечной системы. Из этого следует, что должно изменится и значение эталона длины – метра. Тогда получается, что количество метров до удалённых объектов всегда остаётся прежнее, и возможности для измерения расширения пространства нет.

Красное смещение и квазары

Х. Арп, один из первооткрывателей квазаров, предполагает, что эти объекты обладают собственным, внутренним, красным смещением. Оно не зависит от удаления объекта. Квазары-достаточно маленькие объекты в космических масштабах. Но если красные смещения верны в свете закона Хаббла, то и расстояния до них, и их массы, да и скорости их удаления будут иметь громадные величины.

Скорости у квазаров, удалённых от нас на миллиарды световых лет, могут достигать десятков тысяч км/сек.

Красное смещение объекта 3С48 показывает, что его скорость составляет около половины скорости света, а расстояние до него – 3,78 млрд. световых лет. А квазар 3С196 вообще побил все рекорды: его удаление – 12 млрд. световых лет, а скорость почти 200 тысяч км/сек!

«Старение» света

Некоторые астрономы подвергают сомнению теорию красного смещения, вернее, вывода, что его природа заставляет галактики обязательно разбегаться, да ещё с фантастическими скоростями. Была выдвинута идея, что свет, из-за чрезвычайно долгого путешествия сквозь разреженный газ межгалактического пространства, краснеет. Это происходит из-за потери спектром коротких волн, и туманности становятся краснее, хотя линии спектра не смещаются. Но красное смещение подразумевает именно этот процесс. Возможно, свет, бесконечно долго путешествуя во Вселенной, теряет часть своей энергии. Из-за этого происходит удлинение волн, порождающее красное смещение, но не связанное с разбеганием галактик. Однако, эта теория ещё не нашла подтверждения, никто еще не смог доказать, что свет каким-либо образом может терять энергию. Да и куда эта энергия девается — большой вопрос. На примере квазаров видно: чем они дальше от нас, тем больше их красное смещение, и как говорилось, соответственно, больше их скорость удаления.

• ТЕГИ
• Изучение космоса

Определите чем вызван эффект космологического красного смещения

Красное смещение

Этот эффект состоит в том, что хорошо известные спектральные (см. Спектр) линии химических элементов оказываются смещенными от своего положения в красную сторону в спектрах внегалактических объектов.

Величина космологического красного смещения прямо пропорциональна расстоянию до объекта. Это явление можно объяснить эффектом Доплера, вызванным “разбеганием” объектов (см. Вселенной расширение). Закон Хаббла, связывая величину красного смещения в спектре электромагнитного излучения объекта с расстоянием до него, позволяет это расстояние определять.

Для количественной характеристики эффекта красного смещения используется, так называемый, космологический фактор “ Z ”. Он определяется отношением величины смещения какой-либо спектральной линии в спектре наблюдаемого объекта к длине волны этой линии в спектре неподвижного относительно наблюдателя источника излучения. В космологии принято указывать расстояния до объектов именно в шкале их красных смещений. Кроме того, космологический фактор позволяет оценивать период времени прошедшего от начальной стадии Большого взрыва до того момента, когда наблюдаемый объект испустил зарегистрированное нами излучение.

Наибольшее красное смещение имеет реликтовое излучение. Для него Z примерно равно 1400. Оно возникло в период от 300 тысяч до 1 миллиона лет после начала Большого взрыва, т.е., в масштабах возраста Вселенной (см. Вселенной, возраст), в самом начале ее эволюции. Самые отдаленные из наблюдаемых ныне объектов имеют красное смещение не более 7. Однако когда наблюдательные средства позволят нам наблюдать протогалактики – первичные гигантские сгущения вещества, их красные смещения, как ожидается, окажутся в переделах 10 – 20. Этот период относится примерно к 100 миллионам лет от начала Большого взрыва, т.е. шкала красных смещений не линейна.

Красное смещение линий наблюдается и в спектрах звезд, что обусловлено их мощным гравитационным полем (см. Поле физическое, гравитационное). Фотоны теряют часть своей энергии на преодоление тяготения, становятся менее энергичными, т.е. “краснеют”. См. также Относительности теория, общая.

Красное смещение

Кра́сное смеще́ние, увеличение длин волн (уменьшение частот ) электромагнитного излучения источника, проявляющееся в сдвиге спектральных линий или других деталей спектра в сторону красного (длинноволнового) конца спектра. Оценку красного смещения обычно производят, измеряя смещение положения линий в спектре наблюдаемого объекта относительно спектральных линий эталонного источника с известными длинами волн. Количественно красное смещение z z z определяется величиной относительного увеличения длин волн:

z = λ прин − λ исп λ исп , \displaystyle z = \frac <\lambda_- \lambda_> <\lambda_>, z = λ исп ​ λ прин ​ − λ исп ​ ​ , где λ прин \lambda_ λ прин ​ и λ исп \lambda_ λ исп ​ – соответственно длины волн принимаемого излучения и испущенного источником излучения. Если речь идёт о спектральных линиях, то значения λ исп \lambda_ λ исп ​ относятся к длинам волн, принадлежащим определённым химическим элементам, которые считаются хорошо известными. Выделяют доплеровское, космологическое и гравитационное красное смещение.

Доплеровское красное смещение

Красное смещение спектральных линий, обусловленное эффектом Доплера , наблюдается, когда источник излучения удаляется от наблюдателя. При скоростях, много меньших скорости света, z ⁣ ≪ ⁣ 1 z\!\ll\!1 z ≪ 1 и скорость удаления v = c z v=cz v = cz (где c c c – скорость света ). Если расстояние до источника сокращается, то возникает смещение противоположного знака (т. н. фиолетовое смещение). В спектрах объектов нашей Галактики наблюдаются как красные, так и фиолетовые смещения. За очень редким исключением они не превышают z = 1 0 − 3 z=10^ z = 1 0 − 3 . В случае больших скоростей движения, сопоставимых со скоростью света, красное смещение требует учёта релятивистских эффектов . В общем случае величина красного смещения z z z связана со скоростью источника относительно наблюдателя v v v соотношением

z = 1 + v c cos ⁡ θ 1 − v 2 c 2 − 1 , (1) \displaystyle z = \frac \cos > > > — 1, \tag z = 1 − c 2 v 2 ​

​ 1 + c v ​ cos θ ​ − 1 , ( 1 ) где θ \theta θ – угол между направлением на источник и вектором скорости в системе отсчёта наблюдателя. Если источник радиально удаляется от наблюдателя, то θ = 0 θ=0 θ = 0 , если приближается, то θ = π θ=\pi θ = π . В этих случаях при v ⁣ ≪ ⁣ c v\!\ll\!c v ≪ c формула переходит в выражение z = v / c z=v/c z = v / c , где скорость v v v считается положительной, если она направлена от наблюдателя. Из формулы (1) следует, что красное смещение будет иметь место не только при изменении расстояния до источника, но даже если скорость источника направлена поперёк луча зрения, когда θ = π / 2 θ= \pi /2 θ = π /2 (поперечный эффект Доплера). В рамках специальной теории относительности этот эффект является результатом замедления времени в системе отсчёта, связанной с движущимся источником, по отношению к системе отсчёта, связанной с наблюдателем. Поперечный эффект Доплера подтверждён экспериментально. В астрономии яркий пример этого эффекта демонстрирует тесная двойная звёздная система SS 433 , в которой наблюдаются две вращающиеся струи газа ( релятивистские джеты ), вылетающие в противоположных направлениях со скоростями около 80 тыс. км/с. Анализ спектров струй показывает, что, даже когда направление движения газа в них оказывается перпендикулярным лучу зрения и «классический» эффект Доплера должен отсутствовать, красное смещение в спектре струй не равно нулю, а составляет величину, соответствующую доплеровской скорости около 12 тыс. км/с.

Космологическое красное смещение

Особым случаем красного смещения является космологическое красное смещение, наблюдаемое в спектрах галактик и их систем. Впервые космологическое красное смещение было обнаружено в 1912–1914 гг. В. Слайфером , обратившим внимание на то, что линии в спектрах, полученных в то время для небольшого числа галактик, чаще всего смещены в сторону более длинных волн, т. е. галактики удаляются от нас. Красное смещение в спектрах далёких галактик возникает вследствие увеличения расстояний между ними, обусловленного расширением Вселенной . В среднем его значение линейно растёт с расстоянием до наблюдаемой галактики ( закон Хаббла ): во сколько раз дальше галактика, во столько раз больше её красное смещение. Расширение Вселенной удобно описывать растущей со временем функцией a ( t ) a(t) a ( t ) , которая называется масштабным фактором . Она представляет собой масштабный множитель, пропорционально которому меняются расстояния между удаляющимися друг от друга далёкими галактиками. Тогда космологическое красное смещение равно

z = a ( t 0 ) a ( t 1 ) − 1 , \displaystyle z = \frac — 1, z = a ( t 1 ​ ) a ( t 0 ​ ) ​ − 1 , где t 0 t_0 t 0 ​ и t 1 t_1 t 1 ​ – моменты времени приёма и излучения сигнала далёкого источника соответственно.

Закон Хаббла широко используется для оценки расстояния до галактик и их систем, однако этот закон не выполняется строго, поскольку на общую картину расширения Вселенной накладываются собственные скорости галактик, достигающие (в скоплениях галактик) тысячи и более км/с.

Поскольку для очень далёких и поэтому тусклых объектов очень сложно получить спектр и измерить длины волн отдельных линий, в оптической области спектра наряду со спектральным методом оценки красного смещения используется фотометрический метод, в котором интенсивность излучения слабого источника измеряется в разных интервалах длин волн с применением специально подобранных светофильтров. Найденные таким образом красные смещения называются фотометрическими.

Наиболее далёкие наблюдаемые объекты (галактики, квазары ) имеют красные смещения, существенно превышающие значение z = 1 z=1 z = 1 , эквивалентное двукратному возрастанию длин волн. Излучение, испущенное такими источниками в видимом диапазоне спектра, становится инфракрасным. Известно несколько галактик с рекордно большими красными смещениями, превышающими z = 8 z=8 z = 8 . Наибольшее красное смешение ( z ≈ 1000 ) (z\approx1000) ( z ≈ 1000 ) имеет реликтовое излучение , наблюдаемое в области высоких радиочастот, но, в отличие от z z z для конкретных источников, эта оценка имеет лишь теоретическое обоснование.

Переход от значения красного смещения z z z к оценке расстояния до источника при больших z z z становится неоднозначным, поскольку, в отличие от случая малых z z z , он зависит от принимаемой модели расширения Вселенной. В силу конечности скорости света, галактики с большими космологическими красными смещениями наблюдаются такими, какими они были миллиарды лет назад, в эпоху их молодости.

Гравитационное красное смещение

Ещё один тип красного смещения – гравитационное красное смещение. Оно возникает, когда приёмник света находится в области с меньшим гравитационным потенциалом φ φ φ , чем источник. В рамках общей теории относительности гравитационное красное смещение возникает вследствие замедления течения времени (и, как следствие, замедления колебаний в электромагнитной волне) вблизи массивных тел, т. е. в областях с более низким гравитационным потенциалом по отношению к наблюдателю. Альтернативная интерпретация этого эффекта заключается в том, что фотоны теряют часть своей энергии на преодоление сил гравитации при движении из области с более низким гравитационным потенциалом в область с более высоким. В результате частота, характеризующая энергию фотона, уменьшается, а длина волны соответственно возрастает.

Для слабых гравитационных полей значение гравитационного красного смещения равно z g = Δ φ / c 2 z_g=\Delta \varphi /c^2 z g ​ = Δ φ / c 2 , где Δ φ \Delta \varphi Δ φ – разность гравитационных потенциалов в местах нахождения источника и приёмника, c c c – скорость света. Отсюда следует, что для сферически-симметричных тел z g = G M / ( R c 2 ) z_g=GM/(Rc^2) z g ​ = GM / ( R c 2 ) , где M M M и R R R – масса и радиус излучающего тела, G G G – гравитационная постоянная. Более точная (релятивистская) формула для невращающихся сферических тел имеет следующий вид:

z g = 1 1 − 2 G M / ( R c 2 ) − 1. \displaystyle z_g = \frac 1 < \sqrt> — 1. z g ​ = 1 − 2 GM / ( R c 2 )

​ 1 ​ − 1. Гравитационное красное смещение наблюдается в спектрах плотных звёзд ( белых карликов ), для которых z g ≤ 1 0 − 3 z_g \leq10^ z g ​ ≤ 1 0 − 3 . Впервые гравитационное красное смещение было измерено в спектре белого карлика Сириус B в 1925 г. (У. Aдамс, США). Позднее оценка для этой звезды была уточнена: z g ≈ 2 , ⁣ 7 ⋅ 1 0 − 4 z_g\approx2,\!7\cdot10^ z g ​ ≈ 2 , 7 ⋅ 1 0 − 4 , что эквивалентно доплеровскому смещению при скорости около 80 км/с. Для Солнца гравитационное красное смещение примерно в сто раз меньше, тем не менее его также удалось измерить. Наиболее сильным гравитационным красным смещением обладает излучение внутренних областей аккреционных дисков вокруг чёрных дыр . Теоретически красное смещение стремится к бесконечности по мере приближения к горизонту событий чёрной дыры. В физическом эксперименте существование гравитационного красного смещения впервые подтверждено в 1960 г. с использованием эффекта поглощения гамма-квантов атомными ядрами ( эффект Мёссбауэра ).

Важным свойством красного смещения любого типа (доплеровского, поперечного доплеровского, космологического, гравитационного) является отсутствие зависимости величины z z z от длины волны. Этот вывод подтверждается экспериментально: спектральные линии в оптическом, радио- и рентгеновском диапазонах одного источника имеют одинаковое красное смещение, несмотря на колоссальное различие длин волн.

Опубликовано 19 мая 2022 г. в 19:05 (GMT+3). Последнее обновление 19 мая 2022 г. в 19:05 (GMT+3). Обратная связь