Красное смещение

Часть серии по
Физическая космология
Большой взрыв  · Вселенная Возраст вселенной Хронология Вселенной
Ранняя вселенная Эпоха Планка Эпоха великого объединения Электрослабая эпоха Кварковая эпоха Адронная эпоха Лептонная эпоха Фотонная эпоха Нуклеосинтез Большого взрыва Инфляция Темные времена Звездная эра Фоны Космический фоновый радиационный фон (CBR) Фон гравитационных волн (ФГВ) Космический микроволновый фон (CMB)  · Космический нейтринный фон (CNB) Космический инфракрасный фон (ИНБ)
Расширение  · Будущее Закон Хаббла  · Красное смещение Расширение Вселенной Ускоряющееся расширение Вселенной Сопутствующие и правильные расстояния Метрика FLRW  · Уравнения Фридмана Неоднородная космология Хронология далекого будущего Будущее расширяющейся Вселенной Конечная судьба вселенной Тепловая смерть вселенной Большой разрыв Большой хруст Большой отскок Распад ложного вакуума
Компоненты  · Структура Составные части Лямбда-CDM модель Барионная материя Экзотическая материя Вырожденная материя Нейтроний Вопрос КХД Странное дело Отрицательное вещество Энергия Отрицательная энергия Нулевая энергия Энергия вакуума Радиация Фоновое излучение Темная энергия Квинтэссенция Фантомная энергия Темная материя Холодная темная материя Теплая темная материя Смешанная темная материя Горячая темная материя Светлая темная материя Самовзаимодействующая темная материя Скалярное поле темная материя Темное излучение Темная жидкость Темный поток Зеркальное дело Структура Форма вселенной Реионизация  · Формирование структуры Формирование галактики Мультивселенная Вселенная Наблюдаемая Вселенная Объем Хаббла Крупномасштабная конструкция Большая группа квазаров Нить галактики Сверхскопление Скопление галактик Группа галактик Местная группа Галактика Ореол темной материи Звездное скопление Солнечная система Планетная система Пустота
Эксперименты Бумеранг Исследователь космического фона (COBE) Обзор темной энергии Евклид Проект Illustris Обсерватория Веры К. Рубин Космическая обсерватория Планка Слоан цифровой обзор неба (SDSS) Обзор красного смещения галактики 2dF ("2dF") ВселеннаяМашина Микроволновый датчик анизотропии Wilkinson (WMAP)
Ученые Ааронсон Альфвен Альфер Бхарадвадж Коперник де Ситтер Дике Эддингтон Элерс Эйнштейн Эллис Фридман Галилео Гамов Guth Хаббл Лемэтр Linde Mather Ньютон Penzias Вбивать в голову Шмидт Шварцшильд Гладкий Старобинский Steinhardt Suntzeff Сюняев Толман Уилсон Зельдович
История темы Открытие космического микроволнового фонового излучения История теории большого взрыва Религиозные интерпретации теории большого взрыва Хронология космологических теорий
Категория  Астрономический портал
v т е

В физике , А красное смещение является увеличение длины волны , и соответствующее уменьшение частоты и энергии фотонов , из электромагнитного излучения (например, свет ). Противоположное изменение, уменьшение длины волны и одновременное увеличение частоты и энергии, известно как отрицательное красное смещение или синее смещение . Эти термины происходят от красного и синего цветов, которые образуют крайние точки спектра видимого света .

В астрономии и космологии три основных причины электромагнитного красного смещения:

1. Излучение распространяется между объектами, которые движутся друг от друга (« релятивистское » красное смещение, пример релятивистского эффекта Доплера )
2. Излучение движется к объекту в более слабом гравитационном потенциале , то есть к объекту в менее искривленном (более плоском) пространстве-времени ( гравитационное красное смещение ).
3. Излучение распространяется через расширяющееся пространство ( космологическое красное смещение ). Наблюдение за тем, что все достаточно далекие источники света показывают красное смещение, соответствующее их расстоянию от Земли, известно как закон Хаббла .

Релятивистское, гравитационное и космологическое красное смещение можно понять под эгидой законов преобразования системы отсчета . Гравитационные волны , которые также движутся со скоростью света , подвержены тем же явлениям красного смещения.

Примерами сильного красного смещения являются гамма-лучи, воспринимаемые как рентгеновские лучи , или первоначально видимый свет, воспринимаемый как радиоволны . Более тонкие красные смещения наблюдаются при спектроскопических наблюдениях за астрономическими объектами и используются в наземных технологиях, таких как доплеровский радар и радарные пушки .

Существуют и другие физические процессы, которые могут привести к сдвигу частоты электромагнитного излучения, включая рассеяние и оптические эффекты ; однако возникающие в результате изменения можно отличить от (астрономического) красного смещения и обычно не упоминаются как таковые (см. раздел о физической оптике и переносе излучения ).

Значение красного смещения часто обозначается буквой z , соответствующей частичному изменению длины волны (положительное для красных смещений, отрицательное для голубых смещений), и отношением длин волн 1 + z (которое составляет> 1 для красных смещений, <1 для голубых смещений. ).

История [ править ]

История этого предмета началась с развития в 19 веке волновой механики и исследования явлений, связанных с эффектом Доплера . Эффект назван в честь христианского Доплера , который предложил первое известное физическое объяснение явления в 1842. ^[1] гипотеза была проверена и подтверждена для звуковых волн от голландского ученого Христофора Покупает бюллетенями в 1845. ^[2] Допплер правильно предсказал , что явление должно применяться ко всем волнам, и , в частности , предположил , что различные цвета от звездможно объяснить их движением относительно Земли. ^{[3] Однако} до того, как это было подтверждено, было обнаружено, что цвета звезд в первую очередь обусловлены температурой звезды , а не движением. Лишь позже доплер был подтвержден подтвержденными наблюдениями за красным смещением.

Первое доплеровское красное смещение было описано французским физиком Ипполитом Физо в 1848 году, который указал на смещение спектральных линий, наблюдаемых у звезд, как следствие эффекта Доплера. Эффект иногда называют «эффектом Доплера – Физо». В 1868 году британский астроном Уильям Хаггинс первым определил с помощью этого метода скорость звезды, удаляющейся от Земли. ^[4] В 1871 году оптическое красное смещение было подтверждено, когда явление наблюдалось в линиях фраунгофера с использованием вращения Солнца, около 0,1 Å в красном. ^[5] В 1887 году Фогель и Шайнер открыли годовой эффект Доплера., годовое изменение доплеровского смещения звезд, расположенных вблизи эклиптики, из-за орбитальной скорости Земли. ^[6] В 1901 году Аристарх Белопольский проверил оптическое красное смещение в лаборатории, используя систему вращающихся зеркал. ^[7]

Самым ранним появлением термина « красное смещение» в печати (в этой переносимой через дефис форме), по-видимому, является американский астроном Уолтер С. Адамс в 1908 году, в котором он упоминает «Два метода исследования природы красного смещения туманности». ^[8] Слово не появлялось без дефиса примерно до 1934 года Виллемом де Ситтером , что, возможно, указывает на то, что до этого момента его немецкий эквивалент, Rotverschiebung , использовался чаще. ^[9]

Начиная с наблюдений в 1912 году Весто Слайфер обнаружил, что большинство спиральных галактик , которые тогда в основном считались спиральными туманностями , имели значительные красные смещения. Слайфер впервые сообщает о своих измерениях в первом томе Бюллетеня обсерватории Лоуэлла . ^[10] Три года спустя он написал обзор в журнале Popular Astronomy . ^[11] В нем он заявляет, что «раннее открытие, что великая спираль Андромеды имела весьма исключительную скорость –300 км (/ с), показало доступные в то время средства, способные исследовать не только спектры спиралей, но и их скорости как Что ж." ^[12]Слайфер сообщил о скоростях 15 спиральных туманностей, разбросанных по всей небесной сфере , все, кроме трех, имеют наблюдаемые «положительные» (то есть обратные) скорости. Впоследствии Эдвин Хаббл обнаружил приблизительную связь между красными смещениями таких «туманностей» и расстояниями до них, сформулировав свой одноименный закон Хаббла . ^[13] Эти наблюдения подтвердили работу Александра Фридмана 1922 года, в которой он вывел уравнения Фридмана – Лемэтра . ^[14] Сегодня они считаются убедительным доказательством расширения Вселенной и теории Большого взрыва .^[15]

Измерение, характеристика и интерпретация [ править ]

Спектр света , который исходит из источника (см идеализированного спектра иллюстрации верхних правый) может быть измерен. Чтобы определить красное смещение, нужно искать особенности в спектре, такие как линии поглощения , эмиссионные линии или другие вариации интенсивности света. Если они обнаружены, эти особенности можно сравнить с известными особенностями в спектре различных химических соединений, обнаруженными в экспериментах, где это соединение находится на Земле. Очень распространенный атомный элемент в космосе - водород . Спектр изначально безликого света, проходящего через водород, покажет характерный спектр.специфичен для водорода, который имеет регулярные характеристики. Если ограничиться линиями поглощения, это будет похоже на иллюстрацию (вверху справа). Если такой же образец интервалов наблюдается в наблюдаемом спектре от удаленного источника, но происходит со смещенными длинами волн, его также можно идентифицировать как водород. Если в обоих спектрах идентифицируется одна и та же спектральная линия, но на разных длинах волн, то красное смещение можно рассчитать, используя приведенную ниже таблицу. Для определения красного смещения объекта таким образом требуется диапазон частот или длин волн. Чтобы вычислить красное смещение, нужно знать длину волны излучаемого света в системе покоя источника: другими словами, длину волны, которую может измерить наблюдатель, находящийся рядом с источником и движущийся с ним.Поскольку в астрономических приложениях это измерение не может быть выполнено напрямую, поскольку для этого потребуется путешествие к далекой интересующей звезде, вместо этого используется метод с использованием спектральных линий, описанный здесь. Красные смещения нельзя рассчитать, глядя на неидентифицированные объекты, частота покоя которых неизвестна, или на спектр, который не имеет признаков илибелый шум (случайные колебания в спектре). ^[17]

Красное смещение (и синее смещение) может характеризоваться относительной разницей между наблюдаемыми и излучаемыми длинами волн (или частотой) объекта. В астрономии принято ссылаться на это изменение с использованием безразмерной величины под названием г . Если λ представляет длину волны, а f представляет частоту (обратите внимание, λf = c, где c - скорость света ), тогда z определяется уравнениями: ^[18]

Расчет красного смещения, ${\ displaystyle z}$

На основе длины волны	На основе частоты
${\ displaystyle z = {\ frac {\ lambda _ {\ mathrm {obsv}} - \ lambda _ {\ mathrm {emit}}} {\ lambda _ {\ mathrm {emit}}}}}$	${\ displaystyle z = {\ frac {f _ {\ mathrm {emit}} -f _ {\ mathrm {obsv}}} {f _ {\ mathrm {obsv}}}}}$
${\ displaystyle 1 + z = {\ frac {\ lambda _ {\ mathrm {obsv}}} {\ lambda _ {\ mathrm {emit}}}}}$	${\ Displaystyle 1 + Z = {\ гидроразрыва {е _ {\ mathrm {emit}}} {е _ {\ mathrm {obsv}}}}}$

После измерения z различие между красным и синим смещением просто зависит от того, является ли z положительным или отрицательным. Например, синее смещение эффекта Доплера ( z <0 ) связано с объектами, приближающимися (приближающимися) к наблюдателю, при этом свет смещается в сторону больших энергий . И наоборот, красные смещения эффекта Доплера ( z > 0 ) связаны с объектами, удаляющимися (удаляющимися) от наблюдателя, при этом свет смещается в сторону более низких энергий. Точно так же гравитационные голубые смещения связаны со светом, излучаемым источником, находящимся в более слабом гравитационном поле. как наблюдается изнутри более сильного гравитационного поля, тогда как гравитационное красное смещение подразумевает противоположные условия.

Формулы красного смещения [ править ]

В общей теории относительности можно вывести несколько важных специальных формул для красного смещения в некоторых специальных геометриях пространства-времени, как это показано в следующей таблице. Во всех случаях величина сдвига (величина z ) не зависит от длины волны. ^[19]

Резюме Redshift

Тип красного смещения	Геометрия	Формула [20]
Релятивистский доплер	Пространство Минковского (плоское пространство-время)	Для движения полностью в радиальном направлении или в направлении прямой видимости: ${\ displaystyle 1 + z = \ gamma \ left (1 + {\ frac {v _ {\ parallel}} {c}} \ right) = {\ sqrt {\ frac {1 + {\ frac {v _ {\ parallel}} } {c}}} {1 - {\ frac {v _ {\ parallel}} {c}}}}}}$ ${\ Displaystyle г \ приблизительно {\ гидроразрыва {v _ {\ parallel}} {с}}}$ для маленьких ${\ displaystyle v _ {\ parallel}}$ Для движения полностью в поперечном направлении: ${\ displaystyle 1 + z = {\ frac {1} {\ sqrt {1 - {\ frac {v _ {\ perp} ^ {2}} {c ^ {2}}}}}}}$ ${\ displaystyle z \ приблизительно {\ гидроразрыва {1} {2}} \ left ({\ frac {v _ {\ perp}} {c}} \ right) ^ {2}}$ для маленьких ${\ displaystyle v _ {\ perp}}$
Космологическое красное смещение	FLRW пространство-время (расширяющаяся вселенная Большого взрыва)	${\ Displaystyle 1 + Z = {\ гидроразрыва {а _ {\ mathrm {сейчас}}} {а _ {\ mathrm {тогда}}}}}$ Закон Хаббла : ${\ displaystyle z \ приблизительно {\ гидроразрыва {H_ {0} D} {c}}}$ за ${\ displaystyle D \ ll {\ frac {c} {H_ {0}}}}$
Гравитационное красное смещение	Любое стационарное пространство-время	${\ displaystyle 1 + z = {\ sqrt {\ frac {g_ {tt} ({\ text {Receiver}})} {g_ {tt} ({\ text {source}})}}}}$ Для геометрии Шварцшильда : ${\ displaystyle 1 + z = {\ sqrt {\ frac {1 - {\ frac {r_ {S}}} {r _ {\ text {Receiver}}}}}} {1 - {\ frac {r_ {S}} { r _ {\ text {source}}}}}}} = {\ sqrt {\ frac {1 - {\ frac {2GM} {c ^ {2} r _ {\ text {receiver}}}}} {1- { \ frac {2GM} {c ^ {2} r _ {\ text {источник}}}}}}}}$ ${\ displaystyle z \ приблизительно {\ frac {1} {2}} \ left ({\ frac {r_ {S}} {r _ {\ text {source}}}}} - {\ frac {r_ {S}} { r _ {\ text {Receiver}}}} \ right)}$ за ${\ displaystyle r \ gg r_ {S}}$ по космической скорости : ${\ displaystyle z \ приблизительно {\ гидроразрыва {1} {2}} \ left ({\ frac {v _ {\ text {e}}} {c}} \ right) _ {\ text {source}} ^ {2 } - {\ frac {1} {2}} \ left ({\ frac {v _ {\ text {e}}} {c}} \ right) _ {\ text {Receiver}} ^ {2}}$ за ${\ displaystyle v _ {\ text {e}} \ ll c}$

Эффект Доплера [ править ]

Если источник света удаляется от наблюдателя, возникает красное смещение ( z > 0 ); если источник движется к наблюдателю, то происходит синее смещение ( z <0 ). Это верно для всех электромагнитных волн и объясняется эффектом Доплера . Следовательно, этот тип красного смещения называется красным смещением Доплера . Если источник удаляется от наблюдателя со скоростью v , которая намного меньше скорости света ( v ≪ c ), красное смещение определяется выражением

${\ Displaystyle г \ приблизительно {\ гидроразрыва {v} {c}}}$     (с )${\ displaystyle \ gamma \ приблизительно 1}$

где c - скорость света . В классическом эффекте Доплера частота источника не изменяется, но рецессионное движение вызывает иллюзию более низкой частоты.

Более полное рассмотрение доплеровского красного смещения требует учета релятивистских эффектов, связанных с движением источников, близких к скорости света. Полный вывод эффекта можно найти в статье о релятивистском эффекте Доплера . Короче говоря, объекты , движущиеся близко к скорости света будет испытывать отклонения от приведенной выше формулы из - за замедления времени в специальной теории относительности , которая может быть исправлена путем введения в фактор Лоренца Г в классическую формулу Допплера следующим образом (при движении исключительно в Поле зрения):

${\displaystyle 1+z=\left(1+{\frac {v}{c}}\right)\gamma .}$

Это явление было впервые обнаружено в 1938 году в эксперименте, проведенном Гербертом Айвсом и Г.Р. Стилвеллом, который получил название эксперимента Айвса – Стилвелла . ^[21]

Поскольку фактор Лоренца зависит только от величины скорости, это приводит к тому, что красное смещение, связанное с релятивистской поправкой, не зависит от ориентации движения источника. Напротив, классическая часть формулы зависит от проекции движения источника на линию прямой видимости, что дает разные результаты для разных ориентаций. Если θ - это угол между направлением относительного движения и направлением излучения в кадре наблюдателя ^[22] (нулевой угол находится прямо от наблюдателя), полная форма релятивистского эффекта Доплера принимает следующий вид:

${\displaystyle 1+z={\frac {1+v\cos(\theta )/c}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}$

и для движения только на линии прямой видимости ( θ = 0 ° ) это уравнение сводится к следующему:

${\displaystyle 1+z={\sqrt {\frac {1+v/c}{1-v/c}}}}$

Для особого случая, когда свет движется под прямым углом ( θ = 90 ° ) к направлению относительного движения в системе отсчета наблюдателя ^[23], релятивистское красное смещение известно как поперечное красное смещение , и красное смещение:

${\displaystyle 1+z={\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}}$

измеряется, даже если объект не удаляется от наблюдателя. Даже когда источник движется к наблюдателю, если есть поперечная составляющая движения, тогда есть некоторая скорость, при которой расширение просто отменяет ожидаемое голубое смещение, а на более высокой скорости приближающийся источник будет смещен в красную сторону. ^[24]

Расширение пространства [ править ]

В начале двадцатого века Слайфер, Вирц и другие провели первые измерения красных и голубых смещений галактик за пределами Млечного Пути . Первоначально они интерпретировали эти красные и голубые смещения как следствие случайных движений, но позже Лемэтр (1927) и Хаббл (1929), используя предыдущие данные, обнаружили примерно линейную корреляцию между увеличением красных смещений галактик и расстоянием до них. Леметр понял , что эти наблюдения можно объяснить механизм получения красного смещения увиденный в растворах Фридмана к уравнениям Эйнштейна в общей теории относительности . Корреляция между красными смещениями и расстояниями требуется для всех таких моделей, которые имеют метрическое расширение пространства. ^[15]В результате длина волны фотонов, распространяющихся через расширяющееся пространство, растягивается, создавая космологическое красное смещение .

Существует различие между красным смещением в космологическом контексте по сравнению с тем, что наблюдается, когда близлежащие объекты демонстрируют локальное красное смещение в результате эффекта Доплера. Космологические красные смещения не являются следствием относительных скоростей, которые подчиняются законам специальной теории относительности (и, следовательно, подчиняются правилу, согласно которому никакие два локально разделенных объекта не могут иметь относительные скорости относительно друг друга, превышающие скорость света), вместо этого фотоны увеличивают длину волны и красное смещение из-за глобальной особенности метрики пространства-времени, через которую они движутся. Одна из интерпретаций этого эффекта - идея о расширении самого пространства . ^[25]Из-за того, что расширение увеличивается с увеличением расстояния, расстояние между двумя удаленными галактиками может увеличиваться более чем на 3 × 10 ⁸ м / с, но это не означает, что галактики движутся быстрее скорости света в их текущем местоположении (что запрещено ковариацией Лоренца ).

Математический вывод [ править ]

Наблюдательные последствия этого эффекта могут быть получены с использованием уравнений из ОТО , описывающие однородной и изотропной Вселенной .

Чтобы получить эффект красного смещения, используйте уравнение геодезических для световой волны, которое

${\displaystyle ds^{2}=0=-c^{2}dt^{2}+{\frac {a^{2}dr^{2}}{1-kr^{2}}}}$

куда

• ds -интервал пространства- времени
• dt - временной интервал
• dr - пространственный интервал
• c - скорость света
• a - зависящий от времени космический масштабный фактор
• k - кривизна на единицу площади.

Для наблюдателя , наблюдающего гребень световой волны в положение г = 0 и время т = т _Теперь , гребень световой волны излучается в момент времени т = т , _то в прошлом и отдаленный позиция г = R . Интегрирование пути в пространстве и времени, по которому проходит световая волна, дает:

${\displaystyle c\int _{t_{\mathrm {then} }}^{t_{\mathrm {now} }}{\frac {dt}{a}}\;=\int _{R}^{0}{\frac {dr}{\sqrt {1-kr^{2}}}}\,.}$

В общем, длина волны света не одинакова для двух рассматриваемых положений и времен из-за меняющихся свойств метрики. Когда волна излучается, он имел длину волны Л , _то . Следующий пик световой волны был испущен за раз

${\displaystyle t=t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c\,.}$

Наблюдатель видит следующий пик наблюдаемой световой волны с длиной волны λ, _{который} должен прибыть в момент времени.

${\displaystyle t=t_{\mathrm {now} }+\lambda _{\mathrm {now} }/c\,.}$

Поскольку последующий пик снова исходит из r = R и наблюдается при r = 0 , можно записать следующее уравнение:

${\displaystyle c\int _{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}^{t_{\mathrm {now} }+\lambda _{\mathrm {now} }/c}{\frac {dt}{a}}\;=\int _{R}^{0}{\frac {dr}{\sqrt {1-kr^{2}}}}\,.}$

Правая часть двух приведенных выше интегральных уравнений идентичны, что означает

${\displaystyle c\int _{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}^{t_{\mathrm {now} }+\lambda _{\mathrm {now} }/c}{\frac {dt}{a}}\;=c\int _{t_{\mathrm {then} }}^{t_{\mathrm {now} }}{\frac {dt}{a}}\,}$

Используя следующую манипуляцию:

${\displaystyle {\begin{aligned}0&=\int _{t_{\mathrm {then} }}^{t_{\mathrm {now} }}{\frac {dt}{a}}-\int _{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}^{t_{\mathrm {now} }+\lambda _{\mathrm {now} }/c}{\frac {dt}{a}}\\&=\int _{t_{\mathrm {then} }}^{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}{\frac {dt}{a}}+\int _{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}^{t_{\mathrm {now} }}{\frac {dt}{a}}-\int _{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}^{t_{\mathrm {now} }+\lambda _{\mathrm {now} }/c}{\frac {dt}{a}}\\&=\int _{t_{\mathrm {then} }}^{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}{\frac {dt}{a}}-\left(\int _{t_{\mathrm {now} }}^{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}{\frac {dt}{a}}+\int _{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}^{t_{\mathrm {now} }+\lambda _{\mathrm {now} }/c}{\frac {dt}{a}}\right)\\&=\int _{t_{\mathrm {then} }}^{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}{\frac {dt}{a}}-\int _{t_{\mathrm {now} }}^{t_{\mathrm {now} }+\lambda _{\mathrm {now} }/c}{\frac {dt}{a}}\end{aligned}}}$

мы находим, что:

${\displaystyle \int _{t_{\mathrm {now} }}^{t_{\mathrm {now} }+\lambda _{\mathrm {now} }/c}{\frac {dt}{a}}\;=\int _{t_{\mathrm {then} }}^{t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}{\frac {dt}{a}}\,.}$

Для очень небольших изменений во времени (в течение одного цикла световой волны) масштабный коэффициент по существу является постоянным ( a = a _сейчас сегодня и a = a _тогда ранее). Это дает

${\displaystyle {\frac {t_{\mathrm {now} }+\lambda _{\mathrm {now} }/c}{a_{\mathrm {now} }}}-{\frac {t_{\mathrm {now} }}{a_{\mathrm {now} }}}\;={\frac {t_{\mathrm {then} }+\lambda _{\mathrm {then} }/c}{a_{\mathrm {then} }}}-{\frac {t_{\mathrm {then} }}{a_{\mathrm {then} }}}}$

который можно переписать как

${\displaystyle {\frac {\lambda _{\mathrm {now} }}{\lambda _{\mathrm {then} }}}={\frac {a_{\mathrm {now} }}{a_{\mathrm {then} }}}\,.}$

Используя определение красного смещения, приведенное выше , уравнение

${\displaystyle 1+z={\frac {a_{\mathrm {now} }}{a_{\mathrm {then} }}}}$

получается. В расширяющейся Вселенной, такой как та, в которой мы живем, масштабный фактор монотонно увеличивается с течением времени, поэтому z положительно, а далекие галактики кажутся смещенными в красную сторону.

Используя модель расширения Вселенной, красное смещение можно связать с возрастом наблюдаемого объекта, так называемое соотношение космического времени и красного смещения . Обозначим отношение плотностей как Ω ₀ :

${\displaystyle \Omega _{0}={\frac {\rho }{\rho _{\text{crit}}}}\ ,}$

с ρ _крит критическая плотность, отделяющая вселенную, которая в конечном итоге хрустит, от просто расширяющейся. Эта плотность составляет около трех атомов водорода на кубический метр пространства. ^[26] При больших красных смещениях обнаруживается:

${\displaystyle t(z)={\frac {2}{3H_{0}{\Omega _{0}}^{1/2}(1+z)^{3/2}}}\ ,}$

где H ₀ - современная постоянная Хаббла , а z - красное смещение. ^{[27] [28] [29]}

Различение космологических и локальных эффектов [ править ]

Для космологических красных смещений z <0,01 дополнительные доплеровские красные смещения и голубые смещения из-за своеобразных движений галактик относительно друг друга вызывают большой разброс от стандартного закона Хаббла . ^[30] Результирующую ситуацию можно проиллюстрировать с помощью Расширяющейся Вселенной из резинового листа , общей космологической аналогии, используемой для описания расширения пространства. Если два объекта представлены шариковыми подшипниками, а пространство-время - растягивающимся резиновым листом, эффект Доплера вызывается катанием шариков по листу для создания необычного движения. Космологическое красное смещение возникает, когда шарикоподшипники прилипают к листу и лист растягивается. ^{[31][32] [33]}

Красные смещения галактик включают как компонент, связанный со скоростью удаления от расширения Вселенной, так и компонент, связанный с пекулярным движением (доплеровский сдвиг). ^[34] Красное смещение, обусловленное расширением Вселенной, зависит от скорости отступления способом, определяемым космологической моделью, выбранной для описания расширения Вселенной, которая сильно отличается от того, как красное смещение Доплера зависит от локальной скорости. ^[35] Описывая космологическое расширение происхождения красного смещения, космолог Эдвард Роберт Харрисон.сказал: «Свет покидает галактику, которая неподвижна в своей локальной области пространства, и в конечном итоге принимается наблюдателями, которые неподвижны в своей собственной локальной области пространства. Между галактикой и наблюдателем свет распространяется через обширные области расширяющегося пространства. В результате все длины волн света растягиваются за счет расширения пространства. Это так просто ... » ^[36] Стивен Вайнберг пояснил:« Увеличение длины волны от излучения до поглощения света не зависит от скорость изменения a ( t ) (здесь a ( t ) - масштабный фактор Робертсона – Уокера ] во время излучения или поглощения, но при увеличении a( t ) за весь период от выброса до поглощения » ^[37]

В популярной литературе часто используется выражение «доплеровское красное смещение» вместо «космологическое красное смещение» для описания красного смещения галактик, в котором доминирует расширение пространства-времени, но космологическое красное смещение не определяется с помощью релятивистского уравнения Доплера ^[38], которое вместо этого характеризуется особым относительность ; таким образом, v > c невозможно, в то время как, напротив, v > c возможно для космологических красных смещений, потому что пространство, которое отделяет объекты (например, квазар от Земли), может расширяться быстрее, чем скорость света. ^[39]Говоря более математически, точка зрения «далекие галактики удаляются» и точка зрения, что «пространство между галактиками расширяется» связаны изменением систем координат . Точное выражение этого требует работы с математикой метрики Фридмана – Робертсона – Уокера . ^[40]

Если бы Вселенная сжималась, а не расширялась, мы бы увидели далекие галактики с синим смещением на величину, пропорциональную их расстоянию, а не с красным смещением. ^[41]

Гравитационное красное смещение [ править ]

В общей теории относительности есть замедление времени внутри гравитационной ямы. Это известно как гравитационное красное смещение или сдвиг Эйнштейна . ^[42] Теоретический вывод этого эффекта следует из решения Шварцшильда из уравнений Эйнштейна , которая дает следующую формулу для красного смещения , связанного с фотоном , движущегося в гравитационном поле А. Н. незаряженные , невращающейся , сферически симметричными масс:

${\displaystyle 1+z={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {2GM}{rc^{2}}}}}},}$

куда

• G - гравитационная постоянная ,
• M - масса объекта, создающего гравитационное поле,
• r - радиальная координата источника (которая аналогична классическому расстоянию от центра объекта, но фактически является координатой Шварцшильда ), и
• c - скорость света .

Этот результат гравитационного красного смещения может быть получен из предположений специальной теории относительности и принципа эквивалентности ; полная теория относительности не требуется. ^[43]

Эффект очень мал, но его можно измерить на Земле с помощью эффекта Мёссбауэра. Впервые он был обнаружен в эксперименте Паунда-Ребки . ^[44] Однако вблизи черной дыры он является значительным , и по мере приближения объекта к горизонту событий красное смещение становится бесконечным. Это также основная причина больших угловых температурных флуктуаций в космическом микроволновом фоновом излучении (см. Эффект Сакса-Вульфа ). ^[45]

Наблюдения в астрономии [ править ]

Красное смещение, наблюдаемое в астрономии, можно измерить, потому что спектры излучения и поглощения для атомов хорошо известны и откалиброваны в результате спектроскопических экспериментов в лабораториях на Земле. Когда измеряется красное смещение различных линий поглощения и излучения одного астрономического объекта, z оказывается удивительно постоянным. Хотя удаленные объекты могут быть немного размыты, а линии расширены, это не более чем может быть объяснено тепловым или механическим движением.источника. По этим и другим причинам астрономы сходятся во мнении, что наблюдаемые ими красные смещения являются результатом некоторой комбинации трех установленных форм доплеровских красных смещений. Альтернативные гипотезы и объяснения красного смещения, такие как усталый свет , обычно не считаются правдоподобными. ^[46]

Спектроскопия как измерение значительно сложнее простой фотометрии , которая измеряет яркость астрономических объектов через определенные фильтры . ^[47] Когда фотометрические данные все , что доступно (например, Хаббли Deep Field и Хаббл сверхглубокое поле ), астрономы полагаются на технике для измерения фотометрических красных смещений . ^[48] Из-за широких диапазонов длин волн в фотометрических фильтрах и необходимых предположений о природе спектра в источнике света, погрешности для такого рода измерений могут достигать δ z = 0,5., и намного менее надежны, чем спектроскопические определения. ^[49] Однако фотометрия позволяет, по крайней мере, качественно охарактеризовать красное смещение. Например, если бы у солнечного спектра было красное смещение z = 1 , он был бы самым ярким в инфракрасном диапазоне, а не в желто-зеленом цвете, связанном с пиком его спектра черного тела , и интенсивность света будет уменьшаться в фильтр в четыре раза, (1 + z ) ² . И скорость счета фотонов, и энергия фотонов смещены в красную область. (См. K-коррекцию для получения более подробной информации о фотометрических последствиях красного смещения.) ^[50]

Местные наблюдения [ править ]

В близлежащих объектах (в нашей галактике Млечный Путь ) наблюдаемые красные смещения почти всегда связаны с лучевыми скоростями, связанными с наблюдаемыми объектами. Наблюдения таких красных смещениях и голубое смещение позволили астрономам измерить скорости и параметризовать массы из вращающихся вокруг звезд в спектрально - двойных , метод впервые применен в 1868 году британский астроном Уильям Хаггинс . ^[4] Точно так же небольшие красные и голубые смещения, обнаруженные при спектроскопических измерениях отдельных звезд, - это один из способов, которым астрономы смогли диагностировать и измеритьприсутствие и характеристики планетных систем вокруг других звезд и даже провели очень подробные дифференциальные измерения красных смещений во время планетных транзитов, чтобы определить точные параметры орбиты. ^[51] Мелко детальные измерения красного смещения используется в гелиосейсмологии , чтобы определить точные движений фотосферы от Солнца . ^[52] Красные смещения также использовались , чтобы сделать первые измерения вращения скоростей планет , ^[53] скорости межзвездных облаков , ^[54]вращение галактик , ^[19] и динамика из аккреции на нейтронные звезды и черные дыры , которые демонстрируют как Doppler и гравитационные красные смещения. ^[55] Кроме того, температура различных излучающих и поглощающих объектов может быть получена путем измерения доплеровского уширения - эффективного красного и синего смещения по одной линии излучения или поглощения. ^[56] Путь измерения уширения и сдвигов в 21-сантиметровой водородной линии в различных направлениях, астрономы смогли измерить каникулярные скорости измежзвездный газ , который, в свою очередь, показывает кривую вращения нашего Млечного Пути. ^[19] Аналогичные измерения были выполнены на других галактиках, таких как Андромеда . ^[19] В качестве диагностического инструмента измерения красного смещения являются одними из наиболее важных спектроскопических измерений, проводимых в астрономии.

Внегалактические наблюдения [ править ]

Наиболее удаленные объекты демонстрируют большие красные смещения , соответствующие хаббловского поток от Вселенной . Самое большое наблюдаемое красное смещение, соответствующее наибольшему расстоянию и наиболее удаленному назад во времени, - это смещение космического микроволнового фонового излучения; численное значение его красное смещение составляет около г = 1089 ( г = 0 соответствует настоящему времени), и это показывает состояние Вселенной около 13,8 миллиарда лет назад, ^[57] и 379,000 лет после того, как начальные моменты Большого взрыва . ^[58]

Светящиеся точечные ядра квазаров были первыми объектами с "большим красным смещением" ( z > 0,1 ), обнаруженными до того, как усовершенствование телескопов позволило открыть другие галактики с большим красным смещением.

Для галактик, более далеких, чем Местная группа и близлежащее скопление Девы , но в пределах тысячи мегапарсеков или около того, красное смещение приблизительно пропорционально расстоянию до галактики. Эта корреляция была впервые обнаружена Эдвином Хабблом и стала известна как закон Хаббла . Весто Слайфер был первым, кто обнаружил галактическое красное смещение примерно в 1912 году, в то время как Хаббл сопоставил измерения Слайфера с расстояниями, которые он измерил другими способами, чтобы сформулировать свой Закон. В широко принятой космологической модели, основанной на общей теории относительности, красное смещение в основном является результатом расширения пространства: это означает, что чем дальше от нас находится галактика, тем больше пространство расширилось с тех пор, как свет покинул эту галактику, поэтому чем больше свет был растянут, тем чем больше смещен красный свет, тем быстрее кажется, что он удаляется от нас. Закон Хаббла частично следует из принципа Коперника . ^[59] Поскольку обычно неизвестно, насколько светятся объекты, измерение красного смещения проще, чем более прямые измерения расстояний, поэтому на практике красное смещение иногда на практике преобразуется в грубое измерение расстояния с использованием закона Хаббла.

Гравитационные взаимодействия галактик друг с другом и скоплениями вызывают значительный разброс на нормальном графике диаграммы Хаббла. Эти скорости своеобразные , связанные с галактиками накладываться грубым следом массы из вириализованных объектов во Вселенной. Этот эффект приводит к таким явлениям, как близкие галактики (например, галактика Андромеды ), демонстрирующие голубые смещения при падении к общему барицентру , и карты красных смещений скоплений, показывающие эффект пальцев бога из-за разброса пекулярных скоростей в примерно сферическом распределении. ^[59]Этот добавленный компонент дает космологам возможность измерять массы объектов независимо от отношения массы к свету (отношения массы галактики в массах Солнца к ее яркости в светимости Солнца), что является важным инструментом для измерения темной материи . ^[60]

Линейная зависимость закона Хаббла между расстоянием и красным смещением предполагает, что скорость расширения Вселенной постоянна. Однако, когда Вселенная была намного моложе, скорость расширения и, следовательно, «постоянная» Хаббла были больше, чем сегодня. Таким образом, для более далеких галактик, свет которых летел к нам гораздо дольше, приближение постоянной скорости расширения не работает, и закон Хаббла становится нелинейным интегральным соотношением, зависящим от истории скорости расширения с момента излучения. света рассматриваемой галактики. Таким образом, наблюдения зависимости красного смещения от расстояния можно использовать для определения истории расширения Вселенной и, следовательно, содержания вещества и энергии.

В то время как долгое время считалось, что с момента Большого взрыва скорость расширения непрерывно снижается, недавние наблюдения зависимости красного смещения от расстояния с использованием сверхновых типа Ia показали, что сравнительно недавно скорость расширения Вселенной начала ускоряться .

Наивысшие красные смещения [ править ]

В настоящее время объектами с самым высоким известным красным смещением являются галактики и объекты, производящие гамма-всплески. Самые надежные красных смещениях взяты из спектроскопических данных, а самый высокий подтвержденный спектроскопические красное смещение галактики является то , что GN-Z11 , ^[61] с красным смещением г = 11,1 , что соответствует 400 миллионов лет после Большого взрыва. Предыдущий рекорд был установлен UDFy-38135539 ^[62] при красном смещении z = 8,6 , что соответствует 600 миллионам лет после Большого взрыва. Чуть менее надежны красные смещения излома Лаймана , самым высоким из которых является линзированная галактика A1689-zD1 с красным смещением z = 7,5.^{[63] [64]} и следующим по величине является z = 7.0 . ^[65] Самым далеким наблюдаемым гамма-всплеском при спектральном измерении красного смещения был GRB 090423 , у которого было красное смещение z = 8,2 . ^[66] Самый далекий из известных квазаров, ULAS J1342 + 0928 , находится на z = 7,54 . ^{[67] [68]} Самая известная радиогалактика с красным смещением (TGSS1530) находится на красном смещении z = 5,72 ^[69], а самый известный молекулярный материал с красным смещением - это обнаружение излучения молекулы CO от квазара SDSS J1148 + 5251 вz = 6,42 . ^[70]

Чрезвычайно красные объекты (ERO) - это астрономические источники излучения, излучающие энергию в красной и ближней инфракрасной частях электромагнитного спектра. Это могут быть галактики со вспышкой звездообразования, которые имеют высокое красное смещение, сопровождающееся покраснением от промежуточной пыли, или это могут быть эллиптические галактики с сильным красным смещением и более старым (и, следовательно, более красным) звездным населением. ^[71] Объекты, которые даже краснее, чем ERO, называются гиперэкстремально красными объектами (HERO). ^[72]

Реликтовое имеет красное смещение г = 1089 , что соответствует возрасту примерно 379000 лет после Большого взрыва и сопутствующее расстояние более 46 миллиардов световых лет. ^[73] Первый свет от самых старых звезд населения III , который еще предстоит наблюдать , вскоре после того, как атомы впервые сформировались и реликтовое излучение перестало поглощаться почти полностью, может иметь красное смещение в диапазоне 20 < z <100 . ^[74] Другие события с высоким красным смещением, предсказанные физикой, но не наблюдаемые в настоящее время, - это фон космических нейтрино примерно через две секунды после Большого взрыва (и красное смещение, превышающее z> 10 ¹⁰ ) ^[75] и фон космической гравитационной волны, излучаемой непосредственно инфляцией при красном смещении, превышающем z > 10 ²⁵ . ^[76]

В июне 2015 года астрономы сообщили о наличии звезд населения III в галактике Cosmos Redshift 7 на z = 6.60 . Такие звезды, вероятно, существовали в очень ранней Вселенной (т. Е. С большим красным смещением) и, возможно, начали производство химических элементов, более тяжелых, чем водород , которые необходимы для более позднего образования планет и жизни, какой мы ее знаем. ^{[77] [78]}

Опросы Redshift [ править ]

С появлением автоматических телескопов и усовершенствованием спектроскопов , было сделано несколько совместных работ по нанесению на карту Вселенной в пространстве с красным смещением. Комбинируя красное смещение с данными углового положения, обзор красного смещения отображает трехмерное распределение материи в небесном поле. Эти наблюдения используются для измерения свойств крупномасштабной структуры Вселенной. Great Wall , обширная сверхскопления галактик более 500 миллионов световых лет ширина, обеспечивает драматический пример крупномасштабной структуры, красное смещение обследование может обнаружить. ^[79]

Первым обзором красного смещения была CfA Redshift Survey , начатая в 1977 году, а первоначальный сбор данных завершился в 1982 году. ^[80] Совсем недавно исследование красного смещения галактики 2dF определило крупномасштабную структуру одной части Вселенной, измеряя красные смещения на протяжении более 220 000 галактик; Сбор данных был завершен в 2002 году, а окончательный набор данных был выпущен 30 июня 2003 года ^[81] Sloan Digital Sky Survey (SDSS), продолжается с 2013 года и цели для измерения красного смещения около 3000000 объектов. ^[82] SDSS зафиксировал красное смещение галактик до 0,8 и участвовал в обнаружении квазаров за пределами z= 6 . В исследовании DEEP2 Redshift Survey используются телескопы Кека с новым спектрографом "DEIMOS" ; продолжение пилотной программы DEEP1, DEEP2 предназначено для измерения слабых галактик с красным смещением 0,7 и выше, и поэтому планируется обеспечить дополнение с большим красным смещением к SDSS и 2dF. ^[83]

Эффекты от физической оптики или переноса излучения [ править ]

Взаимодействия и явления, описанные в предметах переноса излучения и физической оптики, могут приводить к сдвигам длины волны и частоты электромагнитного излучения. В таких случаях сдвиги соответствуют передаче физической энергии веществу или другим фотонам, а не преобразованию между системами отсчета. Такие сдвиги могут быть от таких физических явлений , как эффекты когерентности или рассеяния от электромагнитного излучения ли от заряженных элементарных частиц , из частиц , или от флуктуаций показателя преломления в диэлектрическомсреда, как это происходит в радио явлении радиовистлеров . ^[19] Хотя такие явления иногда называют «красными смещениями» и «голубыми смещениями», в астрофизике взаимодействия света и материи, которые приводят к сдвигам энергии в поле излучения, обычно называют «покраснением», а не «красным смещением», которое, как термин, обычно зарезервирован для описанных выше эффектов . ^[19]

Во многих случаях рассеяние вызывает покраснение излучения, потому что энтропия приводит к преобладанию многих фотонов с низкой энергией над небольшим количеством фотонов с высокой энергией (при сохранении полной энергии ). ^[19] За исключением, возможно, тщательно контролируемых условий, рассеяние не приводит к одинаковому относительному изменению длины волны по всему спектру; то есть любое вычисленное z, как правило, является функцией длины волны. Кроме того, рассеяние от случайных сред обычно происходит под многими углами , и zявляется функцией угла рассеяния. Если происходит многократное рассеяние или рассеивающие частицы движутся относительно друг друга, то, как правило, также происходит искажение спектральных линий . ^[19]

В межзвездной астрономии , видны спектры могут появиться краснее из - за процессов рассеяния в явлении называют межзвездного покраснения ^[19] -similarly рэлеевское рассеяние вызывает атмосферное покраснение Солнца видно восхода или захода солнца и вызывает остальную часть неба , чтобы иметь синий цвет. Это явление отличается от красного смещения, потому что спектроскопические линии не смещаются в сторону других длин волн в покрасневших объектах, и есть дополнительное затемнение и искажение, связанные с явлением из-за того, что фотоны рассеиваются на луче зрения и за его пределы .

Ссылки [ править ]

Источники [ править ]

Статьи [ править ]

• Оденвальд, С. & Финберг, RT. 1993; «Новое рассмотрение красных смещений галактик» в Sky & Telescope, февраль 2003 г .; pp31–35 (Эта статья полезна при дальнейшем чтении, чтобы различать 3 типа красного смещения и их причины.)
• Лайнуивер, Чарльз Х. и Тамара М. Дэвис, « Заблуждения о Большом взрыве », Scientific American , март 2005 г. (Эта статья полезна для объяснения космологического механизма красного смещения, а также для прояснения заблуждений относительно физики расширения пространства. .)

Книги [ править ]

• Нуссбаумер, Гарри; Лидия Биери (2009). Открытие расширяющейся Вселенной . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-51484-2.
• Бинни, Джеймс; Майкл Меррифельд (1998). Галактическая астрономия . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-02565-0.
• Кэрролл, Брэдли В. и Дейл А. Остли (1996). Введение в современную астрофизику . ISBN издательства Addison-Wesley Publishing Company, Inc. 978-0-201-54730-6.
• Фейнман, Ричард; Лейтон, Роберт; Пески, Мэтью (1989). Лекции Фейнмана по физике. Vol. 1 . Эддисон-Уэсли. ISBN 978-0-201-51003-4.
• Грён, Ойвинд ; Хервик, Сигбьорн (2007). Общая теория относительности Эйнштейна . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-0-387-69199-2.
• Катнер, Марк (2003). Астрономия: физическая перспектива . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-52927-3.
• Миснер, Чарльз; Thorne, Kip S .; Уилер, Джон Арчибальд (1973). Гравитация . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0.
• Пиблз, PJE (1993). Принципы физической космологии . Издательство Принстонского университета. ISBN 978-0-691-01933-8.
• Тейлор, Эдвин Ф .; Уилер, Джон Арчибальд (1992). Физика пространства-времени: Введение в специальную теорию относительности (2-е изд.). WH Freeman. ISBN 978-0-7167-2327-1.
• Вайнберг, Стивен (1971). Гравитация и космология . Джон Вили. ISBN 978-0-471-92567-5.
• См. Также учебники по физической космологии для применения космологического и гравитационного красного смещения.

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме Redshift .

Посмотрите красное смещение в Викисловаре, бесплатном словаре.

• Учебник по космологии Неда Райта
• Космический справочник: статья о красном смещении
• Учебник Майка Лучука по астрономическому красному смещению
• Анимированный GIF космологического красного смещения от Уэйна Ху
• Меррифилд, Майкл; Хилл, Ричард (2009). "Z Redshift" . SIXTψ SYMBΦLS . Brady Харан для Ноттингемского университета .