Красное смещение

Эта статья об астрономическом явлении. Чтобы узнать о других значениях, см. Redshift (значения) . Информацию о красном смещении, вызванном эффектом Доплера, см. в разделе Доплеровский сдвиг .

Линии поглощения в видимом спектре сверхскопления . далеких галактик (справа) в сравнении с линиями поглощения в видимом спектре Солнца ( слева) Стрелки указывают красное смещение. Длина волны увеличивается в сторону красного цвета и дальше (частота уменьшается).

В физике красное смещение — это увеличение длины волны и соответствующее уменьшение частоты и энергии фотонов электромагнитного излучения (например, света ). Противоположное изменение — уменьшение длины волны и увеличение частоты и энергии — известно как синее смещение или отрицательное красное смещение. Эти термины происходят от цветов красного и синего , которые образуют крайние точки спектра видимого света . Основными причинами электромагнитного красного смещения в астрономии и космологии являются относительные движения источников излучения, вызывающие релятивистский эффект Доплера , и гравитационные потенциалы, вызывающие гравитационное красное смещение убегающего излучения. Все достаточно удаленные источники света демонстрируют космологическое красное смещение , соответствующее скорости удаления, пропорциональной их расстоянию от Земли — факт, известный как закон Хаббла , который подразумевает, что Вселенная расширяется .

Все красные смещения можно понимать под эгидой законов преобразования системы отсчета . Гравитационные волны , которые также движутся со скоростью света , подвержены тем же явлениям красного смещения. . Величину красного смещения часто обозначают буквой z , соответствующей дробному изменению длины волны (положительное для красного смещения, отрицательное для синего смещения), а также соотношением длин волн 1 + z (которое больше 1 для красных смещений и меньше 1). для синего смещения).

Examples of strong redshifting are a gamma ray perceived as an X-ray, or initially visible light perceived as radio waves. Subtler redshifts are seen in the spectroscopic observations of astronomical objects, and are used in terrestrial technologies such as Doppler radar and radar guns.

Other physical processes exist that can lead to a shift in the frequency of electromagnetic radiation, including scattering and optical effects; however, the resulting changes are distinguishable from (astronomical) redshift and are not generally referred to as such (see section on physical optics and radiative transfer).

History

The history of the subject began with the development in the 19th century of classical wave mechanics and the exploration of phenomena associated with the Doppler effect. The effect is named after Christian Doppler, who offered the first known physical explanation for the phenomenon in 1842. The hypothesis was tested and confirmed for sound waves by the Dutch scientist Christophorus Buys Ballot in 1845. Doppler correctly predicted that the phenomenon should apply to all waves, and in particular suggested that the varying colors of stars could be attributed to their motion with respect to the Earth. Before this was verified, it was found that stellar colors were primarily due to a star's temperature, not motion. Only later was Doppler vindicated by verified redshift observations.

The first Doppler redshift was described by French physicist Hippolyte Fizeau in 1848, who pointed to the shift in spectral lines seen in stars as being due to the Doppler effect. The effect is sometimes called the "Doppler–Fizeau effect". In 1868, British astronomer William Huggins was the first to determine the velocity of a star moving away from the Earth by this method. In 1871, optical redshift was confirmed when the phenomenon was observed in Fraunhofer lines using solar rotation, about 0.1 Å in the red. In 1887, Vogel and Scheiner discovered the annual Doppler effect, the yearly change in the Doppler shift of stars located near the ecliptic due to the orbital velocity of the Earth. In 1901, Aristarkh Belopolsky verified optical redshift in the laboratory using a system of rotating mirrors.

Arthur Eddington used the term red shift as early as 1923. The word does not appear unhyphenated until about 1934 by Willem de Sitter.

Beginning with observations in 1912, Vesto Slipher discovered that most spiral galaxies, then mostly thought to be spiral nebulae, had considerable redshifts. Slipher first reports on his measurement in the inaugural volume of the Lowell Observatory Bulletin. Three years later, he wrote a review in the journal Popular Astronomy. In it he states that "the early discovery that the great Andromeda spiral had the quite exceptional velocity of –300 km(/s) showed the means then available, capable of investigating not only the spectra of the spirals but their velocities as well."

Slipher reported the velocities for 15 spiral nebulae spread across the entire celestial sphere, all but three having observable "positive" (that is recessional) velocities. Subsequently, Edwin Hubble discovered an approximate relationship between the redshifts of such "nebulae" and the distances to them with the formulation of his eponymous Hubble's law. Milton Humason worked on these observations with Hubble. These observations corroborated Alexander Friedmann's 1922 work, in which he derived the Friedmann–Lemaître equations. In the present day they are considered strong evidence for an expanding universe and the Big Bang theory.

Measurement, characterization, and interpretation

High-redshift galaxy candidates in the Hubble Ultra Deep Field, 2012

The spectrum of light that comes from a source (see idealized spectrum illustration top-right) can be measured. To determine the redshift, one searches for features in the spectrum such as absorption lines, emission lines, or other variations in light intensity. If found, these features can be compared with known features in the spectrum of various chemical compounds found in experiments where that compound is located on Earth. A very common atomic element in space is hydrogen.

The spectrum of originally featureless light shone through hydrogen will show a signature spectrum specific to hydrogen that has features at regular intervals. If restricted to absorption lines it would look similar to the illustration (top right). If the same pattern of intervals is seen in an observed spectrum from a distant source but occurring at shifted wavelengths, it can be identified as hydrogen too. If the same spectral line is identified in both spectra—but at different wavelengths—then the redshift can be calculated using the table below.

Determining the redshift of an object in this way requires a frequency or wavelength range. In order to calculate the redshift, one has to know the wavelength of the emitted light in the rest frame of the source: in other words, the wavelength that would be measured by an observer located adjacent to and comoving with the source. Since in astronomical applications this measurement cannot be done directly, because that would require traveling to the distant star of interest, the method using spectral lines described here is used instead. Redshifts cannot be calculated by looking at unidentified features whose rest-frame frequency is unknown, or with a spectrum that is featureless or white noise (random fluctuations in a spectrum).

Redshift (and blueshift) may be characterized by the relative difference between the observed and emitted wavelengths (or frequency) of an object. In astronomy, it is customary to refer to this change using a dimensionless quantity called z. If λ represents wavelength and f represents frequency (note, λf = c where c is the speed of light), then z is defined by the equations:

Calculation of redshift, $z$

Based on wavelength	Based on frequency
$z={\frac {\lambda _{\mathrm {obsv} }-\lambda _{\mathrm {emit} }}{\lambda _{\mathrm {emit} }}}$	$z={\frac {f_{\mathrm {emit} }-f_{\mathrm {obsv} }}{f_{\mathrm {obsv} }}}$
$1+z={\frac {\lambda _{\mathrm {obsv} }}{\lambda _{\mathrm {emit} }}}$	$1+z={\frac {f_{\mathrm {emit} }}{f_{\mathrm {obsv} }}}$

After z is measured, the distinction between redshift and blueshift is simply a matter of whether z is positive or negative. For example, Doppler effect blueshifts (z < 0) are associated with objects approaching (moving closer to) the observer with the light shifting to greater energies. Conversely, Doppler effect redshifts (z > 0) are associated with objects receding (moving away) from the observer with the light shifting to lower energies. Likewise, gravitational blueshifts are associated with light emitted from a source residing within a weaker gravitational field as observed from within a stronger gravitational field, while gravitational redshifting implies the opposite conditions.

Redshift formulae

In general relativity one can derive several important special-case formulae for redshift in certain special spacetime geometries, as summarized in the following table. In all cases the magnitude of the shift (the value of z) is independent of the wavelength.

Redshift summary

Redshift type	Geometry	Formula
Relativistic Doppler	Minkowski space (flat spacetime)	For motion completely in the radial or line-of-sight direction: $1+z=\gamma \left(1+{\frac {v_{\parallel }}{c}}\right)={\sqrt {\frac {1+{\frac {v_{\parallel }}{c}}}{1-{\frac {v_{\parallel }}{c}}}}}$ $z\approx {\frac {v_{\parallel }}{c}}$  for small $v_{\parallel }$ For motion completely in the transverse direction: $1+z={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v_{\perp }^{2}}{c^{2}}}}}}$ $z\approx {\frac {1}{2}}\left({\frac {v_{\perp }}{c}}\right)^{2}$  for small $v_{\perp }$
Cosmological redshift	FLRW spacetime (expanding Big Bang universe)	$1+z={\frac {a_{\mathrm {now} }}{a_{\mathrm {then} }}}$ Hubble's law: $z\approx {\frac {H_{0}D}{c}}$  for $D\ll {\frac {c}{H_{0}}}$
Gravitational redshift	any stationary spacetime	$1+z={\sqrt {\frac {g_{tt}({\text{receiver}})}{g_{tt}({\text{source}})}}}$ For the Schwarzschild geometry: $1+z={\sqrt {\frac {1-{\frac {r_{S}}{r_{\text{receiver}}}}}{1-{\frac {r_{S}}{r_{\text{source}}}}}}}={\sqrt {\frac {1-{\frac {2GM}{c^{2}r_{\text{receiver}}}}}{1-{\frac {2GM}{c^{2}r_{\text{source}}}}}}}$ $z\approx {\frac {1}{2}}\left({\frac {r_{S}}{r_{\text{source}}}}-{\frac {r_{S}}{r_{\text{receiver}}}}\right)$  for $r\gg r_{S}$ In terms of escape velocity: $z\approx {\frac {1}{2}}\left({\frac {v_{\text{e}}}{c}}\right)_{\text{source}}^{2}-{\frac {1}{2}}\left({\frac {v_{\text{e}}}{c}}\right)_{\text{receiver}}^{2}$ for $v_{\text{e}}\ll c$

Doppler effect

Main articles: Doppler effect and Relativistic Doppler effect

Doppler effect, yellow (~575 nm wavelength) ball appears greenish (blueshift to ~565 nm wavelength) approaching observer, turns orange (redshift to ~585 nm wavelength) as it passes, and returns to yellow when motion stops. To observe such a change in color, the object would have to be traveling at approximately 5,200 km/s, or about 32 times faster than the speed record for the fastest space probe.

Redshift and blueshift

If a source of the light is moving away from an observer, then redshift (z > 0) occurs; if the source moves towards the observer, then blueshift (z < 0) occurs. This is true for all electromagnetic waves and is explained by the Doppler effect. Consequently, this type of redshift is called the Doppler redshift. If the source moves away from the observer with velocity v, which is much less than the speed of light (v ≪ c), the redshift is given by

$z\approx {\frac {v}{c}}$     (since $\gamma \approx 1$)

where c is the speed of light. In the classical Doppler effect, the frequency of the source is not modified, but the recessional motion causes the illusion of a lower frequency.

A more complete treatment of the Doppler redshift requires considering relativistic effects associated with motion of sources close to the speed of light. A complete derivation of the effect can be found in the article on the relativistic Doppler effect. In brief, objects moving close to the speed of light will experience deviations from the above formula due to the time dilation of special relativity which can be corrected for by introducing the Lorentz factor γ into the classical Doppler formula as follows (for motion solely in the line of sight):

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

This phenomenon was first observed in a 1938 experiment performed by Herbert E. Ives and G.R. Stilwell, called the Ives–Stilwell experiment.

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 луч зрения, что дает разные результаты для разных ориентаций. Если θ - угол между направлением относительного движения и направлением излучения в системе наблюдателя (нулевой угол находится прямо от наблюдателя), полная форма релятивистского эффекта Доплера будет выглядеть так:

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

а для движения исключительно на луче зрения ( θ = 0° ) это уравнение сводится к:

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

В частном случае, когда свет движется под прямым углом ( θ = 90 ° ) к направлению относительного движения в системе наблюдателя, релятивистское красное смещение известно как поперечное красное смещение и красное смещение:

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

измеряется, даже если объект не удаляется от наблюдателя. Даже когда источник движется к наблюдателю, если в движении есть поперечная составляющая, то существует некоторая скорость, при которой расширение просто отменяет ожидаемое синее смещение, а при более высокой скорости приближающийся источник будет смещаться в красную сторону.

Расширение пространства

Основная статья: Расширение Вселенной

В начале двадцатого века Слайфер, Виртц и другие провели первые измерения красного и синего смещения галактик за пределами Млечного Пути . Первоначально они интерпретировали эти красные и синие смещения как результат случайных движений, но позже Леметр (1927) и Хаббл (1929), используя предыдущие данные, обнаружили примерно линейную корреляцию между увеличением красного смещения галактик и расстояниями до них. Леметр понял, что эти наблюдения можно объяснить механизмом возникновения красных смещений, наблюдаемым в решениях Фридмана Эйнштейна уравнений общей теории относительности . Корреляция между красными смещениями и расстояниями возникает во всех расширяющих моделях.

Это космологическое красное смещение обычно связывают с растяжением длин волн фотонов, распространяющихся в расширяющемся пространстве. Однако эта интерпретация может ввести в заблуждение; расширение пространства — это всего лишь выбор координат и, следовательно, не может иметь физических последствий. Космологическое красное смещение более естественно интерпретировать как доплеровский сдвиг, возникающий из-за удаления далеких объектов.

Наблюдательные последствия этого эффекта можно получить, используя уравнения общей теории относительности , описывающие однородную и изотропную Вселенную . Таким образом, космологическое красное смещение можно записать как функцию зависящего от времени космического масштабного фактора :

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

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 называемым космического времени соотношением и красного смещения . Обозначим коэффициент плотности как Ω ₀ :

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

где ρ _{crit —} критическая плотность, отделяющая вселенную, которая в конечном итоге сжимается, от той, которая просто расширяется. Эта плотность составляет около трёх атомов водорода на кубический метр пространства. При больших красных смещениях 1 + z > Ω ₀ ⁻¹ , обнаруживается:

$t(z)\approx {\frac {2}{3H_{0}{\Omega _{0}}^{1/2}}}z^{-3/2}\ ,$

где H ₀ — современная постоянная Хаббла , а z — красное смещение.

Существует несколько веб-сайтов для расчета различных времен и расстояний от красного смещения, поскольку для точных расчетов требуются числовые интегралы для большинства значений параметров.

Различие между космологическими и локальными эффектами

Для космологических красных смещений z <0,01 дополнительные доплеровские красные и синие смещения, обусловленные пекулярными движениями галактик относительно друг друга, вызывают широкий разброс по стандартному закону Хаббла . Возникшую ситуацию можно проиллюстрировать на примере расширяющейся резиновой Вселенной — распространенной космологической аналогии, используемой для описания расширения пространства. Если два объекта представлены шарикоподшипниками, а пространство-время — растягивающимся резиновым листом, эффект Доплера вызывается перекатыванием шариков по листу, создавая своеобразное движение. Космологическое красное смещение возникает, когда шарикоподшипники прилипают к листу и лист растягивается.

Красное смещение галактик включает в себя как компонент, связанный со скоростью удаления из-за расширения Вселенной, так и компонент, связанный с пекулярным движением (доплеровский сдвиг). Красное смещение, вызванное расширением Вселенной, зависит от скорости рецессии способом, определяемым космологической моделью, выбранной для описания расширения Вселенной, что сильно отличается от того, как доплеровское красное смещение зависит от локальной скорости. Описывая причину красного смещения в космологическом расширении, 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 локальной области пространства. Между галактикой и наблюдатель, свет проходит через огромные области расширяющегося пространства. В результате все длины волн света растягиваются из-за расширения пространства. Стивен Вайнберг пояснил: «Увеличение длины волны от излучения до поглощения света не зависит от скорости изменения a ( t ) [здесь a ( t ) — масштабный коэффициент Робертсона-Уокера ] во время излучения или поглощения, а от увеличения а ( t ) за весь период от испускания до поглощения».

Если бы Вселенная сжималась, а не расширялась, мы бы увидели далекие галактики сдвинутыми в синий цвет на величину, пропорциональную их расстоянию, а не в красную.

Гравитационное красное смещение

Основная статья: Гравитационное красное смещение

В общей теории относительности существует замедление времени внутри гравитационной ямы. Это известно как гравитационное красное смещение или сдвиг Эйнштейна . Теоретический вывод этого эффекта следует из решения Шварцшильда уравнений Эйнштейна , которое дает следующую формулу для красного смещения, связанного с фотоном, путешествующим в гравитационном , невращающейся поле незаряженной , сферически симметричной массы :

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

где

• G — гравитационная постоянная ,
• M — масса объекта, создающего гравитационное поле,
• r — радиальная координата источника (которая аналогична классическому расстоянию от центра объекта, но на самом деле является координатой Шварцшильда ), а
• с — скорость света .

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

Эффект очень мал, но его можно измерить на Земле с помощью эффекта Мессбауэра , и он впервые наблюдался в эксперименте Паунда-Ребки . оно существенно Однако вблизи черной дыры , и по мере приближения объекта к горизонту событий красное смещение становится бесконечным. Это также основная причина больших температурных флуктуаций углового масштаба в космическом микроволновом фоновом излучении (см. Эффект Сакса – Вольфа ).

Наблюдения в астрономии

Время ретроспективного анализа внегалактических наблюдений по их красному смещению до z=20. Существуют веб-сайты для расчета многих таких физических показателей по красному смещению.

Красное смещение, наблюдаемое в астрономии, можно измерить, поскольку излучения и поглощения спектры атомов различны и хорошо известны и откалиброваны на основе спектроскопических экспериментов в лабораториях на Земле. Когда измеряется красное смещение различных линий поглощения и излучения одного астрономического объекта, z оказывается удивительно постоянным. Хотя отдаленные объекты могут быть слегка размыты, а линии уширены, это не более чем объясняется тепловым или механическим движением источника. По этим и другим причинам астрономы пришли к единому мнению, что наблюдаемые ими красные смещения обусловлены некоторой комбинацией трех установленных форм доплеровских красных смещений. Альтернативные гипотезы и объяснения красного смещения, такие как усталый свет, обычно не считаются правдоподобными.

Спектроскопия как измерение значительно сложнее простой фотометрии измеряется , при которой яркость астрономических объектов с помощью определенных фильтров . Когда доступны только фотометрические данные (например, Hubble Deep Field и Hubble Ultra Deep Field ), астрономы полагаются на технику измерения фотометрических красных смещений . Из-за широкого диапазона длин волн фотометрических фильтров и необходимых предположений о природе спектра источника света ошибки такого рода измерений могут достигать δ z = 0,5 и гораздо менее надежны, чем спектроскопические определения.

Однако фотометрия, по крайней мере, позволяет качественно охарактеризовать красное смещение. Например, если бы спектр, подобный Солнцу, имел красное смещение z = 1 , он был бы ярче всего в инфракрасном диапазоне (1000 нм), а не в сине-зеленом (500 нм) цвете, соответствующем пику его спектра черного тела , а свет интенсивность будет уменьшена в фильтре в четыре раза, (1 + z ) ² . И скорость счета фотонов, и энергия фотонов имеют красное смещение. ( см. в разделе K-поправка .) Более подробную информацию о фотометрических последствиях красного смещения

Местные наблюдения

В близлежащих объектах (в пределах нашей галактики Млечный Путь ) наблюдаемые красные смещения почти всегда связаны с лучевыми скоростями, связанными с наблюдаемыми объектами. Наблюдения таких красных и синих смещений позволили астрономам измерить скорости и параметризовать массы вращающихся . Этот звезд в спектрально-двойных системах метод впервые применил в 1868 году британский астроном Уильям Хаггинс . Точно так же небольшие красные и синие смещения, обнаруженные при спектроскопических измерениях отдельных звезд, являются одним из способов, с помощью которых астрономы смогли диагностировать и измерить наличие 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.

красных смещений используются в гелиосейсмологии для определения точных движений фотосферы Солнца Точные измерения . Красное смещение также использовалось для первых измерений вращения скорости планет . скорости межзвездных облаков , вращение галактик , и динамика аккреции . на нейтронные звезды и черные дыры , которые демонстрируют как доплеровское, так и гравитационное красное смещение Температуру — фактически красного и различных излучающих и поглощающих объектов можно получить путем измерения доплеровского уширения синего смещения в пределах одной линии излучения или поглощения. Измеряя расширение и сдвиги 21-сантиметровой линии водорода в разных направлениях, астрономы смогли измерить скорости удаления , межзвездного газа что, в свою очередь, показывает кривую вращения нашего Млечного Пути. Подобные измерения были выполнены и на других галактиках, таких как Андромеда . В качестве диагностического инструмента измерения красного смещения являются одним из наиболее важных спектроскопических измерений, проводимых в астрономии.

Внегалактические наблюдения

Возраст Вселенной в зависимости от красного смещения от z=5 до 20.

соответствующее хаббловскому потоку Вселенной Самые отдаленные объекты демонстрируют большее красное смещение , . Самое большое наблюдаемое красное смещение, соответствующее наибольшему расстоянию и самому дальнему прошлому во времени, — это смещение космического микроволнового фонового излучения; числовое значение его красного смещения составляет около z = 1089 ( z = 0 соответствует настоящему времени), и оно показывает состояние Вселенной около 13,8 миллиардов лет назад, и 379 000 лет после первых моментов Большого взрыва .

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 примерно 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 распространенной космологической модели, основанной на общей теории относительности , красное смещение является главным образом 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 растянут, тем сильнее он смещен в красную сторону, и тем быстрее кажется, что он удаляется от нас. Закон Хаббла частично следует из принципа Коперника . Поскольку обычно неизвестно, насколько светятся объекты, измерить красное смещение проще, чем более прямые измерения расстояний, поэтому на практике красное смещение иногда преобразуется в грубое измерение расстояния с использованием закона Хаббла.

Гравитационные взаимодействия галактик друг с другом и скоплениями вызывают значительный разброс нормального графика диаграммы Хаббла. Пекулярные скорости, связанные с галактиками, накладывают приблизительный след на массу вириализованных объектов во Вселенной. Этот эффект приводит к таким явлениям, как близлежащие галактики (такие как Галактика Андромеды ), демонстрирующие синее смещение, когда мы падаем к общему барицентру , и карты красного смещения скоплений, демонстрирующие эффект пальцев бога из-за разброса пекулярных скоростей в примерно сферическом распределении. Этот дополнительный компонент дает космологам возможность измерять массы объектов независимо от отношения массы к светимости (отношения массы галактики в солнечных массах к ее яркости в солнечной светимости), что является важным инструментом для измерения темной материи .

Линейная связь 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» была больше, чем сегодня. Таким образом, для более далеких галактик, чей свет путешествовал к нам гораздо дольше, приближение постоянной скорости расширения не работает, и закон Хаббла становится нелинейным интегральным соотношением и зависит от истории скорости расширения с момента излучения. света от рассматриваемой галактики. Наблюдения за соотношением красного смещения и расстояния можно использовать для определения истории расширения Вселенной и, следовательно, содержания материи и энергии.

Хотя долгое время считалось, что скорость расширения постоянно снижается после Большого взрыва, наблюдения, начавшиеся в 1988 году за зависимостью красного смещения от расстояния с использованием сверхновых типа Ia, показали, что в сравнительно недавнее время скорость расширения Вселенной начала ускоряться .

Самые высокие красные смещения

См. Также: Список наиболее удаленных объектов по типам.

Сопутствующее расстояние и время просмотра для космологических параметров Planck 2018, от красного смещения от 0 до 15, с расстоянием (синяя сплошная линия) на левой оси и временем (оранжевая пунктирная линия) справа. Обратите внимание, что время, которое прошло (в гига годах) от данного красного смещения до настоящего времени, не совпадает с расстоянием (в гигасветовых годах), которое свет прошел бы от этого красного смещения из-за расширения пространства за прошедший период.

В настоящее время объектами с самым высоким из известных красных смещений являются галактики и объекты, производящие гамма-всплески. Наиболее надежные красные смещения получены на основе спектроскопических данных, а самое высокое подтвержденное спектроскопическое красное смещение галактики — у JADES-GS-z13-0 с красным смещением z = 13,2 , что соответствует 300 миллионам лет после Большого взрыва. Предыдущий рекорд принадлежал GN-z11 , с красным смещением z = 11,1 , что соответствует 400 миллионам лет после Большого взрыва, и UDFy-38135539. при красном смещении z = 8,6 , что соответствует 600 миллионам лет после Большого взрыва.

Немного менее надежны красные смещения Лаймана , наибольшее из которых имеет линзованная галактика A1689-zD1 с красным смещением z = 7,5. и следующим по величине является z = 7,0 . Самым отдаленным наблюдавшимся гамма-всплеском со спектроскопическим измерением красного смещения был GRB 090423 , имеющий красное смещение z = 8,2 . Самый далекий из известных квазаров, ULAS J1342+0928 , находится на z = 7,54 . Самая известная радиогалактика с красным смещением (TGSS1530) имеет красное смещение z = 5,72. а самым известным молекулярным материалом с самым высоким красным смещением является обнаружение излучения молекулы CO из квазара SDSS J1148+5251 при z = 6,42 .

Чрезвычайно красные объекты (ERO) — это астрономические источники излучения, излучающие энергию в красной и ближней инфракрасной части 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. Объекты, которые даже краснее, чем ERO, называются сверхкрасными объектами (HERO).

Космический микроволновый фон имеет красное смещение z = 1089 , что соответствует возрасту примерно 379 000 лет после Большого взрыва и собственному расстоянию более 46 миллиардов световых лет. Еще не наблюдаемый первый свет старейших звезд населения III , произошедший вскоре после того, как впервые образовались атомы и почти полностью перестало поглощаться реликтовое излучение, может иметь красное смещение в диапазоне 20 < z < 100 . Другими событиями с большим красным смещением, предсказанными физикой, но не наблюдаемыми в настоящее время, являются фон космических нейтрино примерно через две секунды после Большого взрыва (и красное смещение, превышающее z > 10). ¹⁰ ) и фон космических гравитационных волн , излучаемых непосредственно в результате инфляции при красном смещении, превышающем z > 10. ²⁵ .

В июне 2015 года астрономы сообщили о наличии звезд населения III в Cosmos Redshift 7 галактике с z = 6,60 . Такие звезды, вероятно, существовали в очень ранней Вселенной (т.е. с большим красным смещением) и, возможно, начали производство химических элементов тяжелее водорода , которые необходимы для более позднего формирования планет и жизни , какой мы ее знаем.

Исследования красного смещения

Рендеринг данных 2dFGRS

Основная статья: Обзор Redshift

С появлением автоматизированных телескопов и усовершенствованием спектроскопов был предпринят ряд совместных усилий по составлению карты Вселенной в пространстве с красным смещением. Комбинируя красное смещение с данными об угловом положении, исследование красного смещения отображает трехмерное распределение материи в поле неба. Эти наблюдения используются для измерения свойств крупномасштабной структуры Вселенной. Великая стена , огромное сверхскопление галактик шириной более 500 миллионов световых лет , представляет собой яркий пример крупномасштабной структуры, которую можно обнаружить с помощью исследований красного смещения.

Первым исследованием красного смещения было исследование CfA Redshift Survey , начатое в 1977 году, а первоначальный сбор данных был завершен в 1982 году. Совсем недавно 2dF Galaxy Redshift Survey определил крупномасштабную структуру одной части Вселенной, измерив красные смещения более чем 220 000 галактик; сбор данных был завершен в 2002 году, а окончательный набор данных был опубликован 30 июня 2003 года. Слоановский цифровой обзор неба (SDSS) продолжается с 2013 года и направлен на измерение красного смещения около 3 миллионов объектов. SDSS зафиксировал красное смещение галактик до 0,8 и участвовал в обнаружении квазаров за пределами z = 6 . В исследовании красного смещения DEEP2 используются телескопы Кека DEIMOS с новым спектрографом ; DEEP2, являющийся продолжением пилотной программы DEEP1, предназначен для измерения слабых галактик с красным смещением 0,7 и выше, поэтому планируется предоставить дополнение к SDSS и 2dF с высоким красным смещением.

Эффекты физической оптики или переноса излучения

Взаимодействия и явления, обобщенные 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 материи или другим фотонам, а не преобразованию между системами отсчета. Такие сдвиги могут быть вызваны такими физическими явлениями, как эффекты когерентности или рассеяние электромагнитного излучения на заряженных элементарных частицах , твердых частицах или флуктуациях показателя преломления в диэлектрической среде, как это происходит в радиофеномене радиосвистов . Хотя такие явления иногда называют «красным смещением» и «синим смещением», в астрофизике взаимодействия света и материи, которые приводят к энергетическим сдвигам в поле излучения, обычно называют «покраснением», а не «красным смещением», которое, как термин, обычно используется для эффектов, обсуждавшихся выше .

Во многих случаях рассеяние приводит к покраснению излучения, поскольку энтропия приводит к преобладанию многих фотонов с низкой энергией над немногими фотонами с высокой энергией (при сохранении полной энергии ). За исключением, возможно, тщательно контролируемых условий, рассеяние не приводит к одинаковому относительному изменению длины волны по всему спектру; то есть любой рассчитанный z обычно является функцией длины волны. Более того, рассеяние на случайных средах обычно происходит под многими углами , а z является функцией угла рассеяния. Если происходит многократное рассеяние или рассеивающие частицы имеют относительное движение, то, как правило, происходит искажение спектральных линий . и

В межзвездной астрономии видимые спектры могут казаться более красными из-за процессов рассеяния в явлении, называемом межзвездным покраснением. - аналогичным образом рэлеевское рассеяние вызывает атмосферное покраснение Солнца, наблюдаемое на восходе или закате, и приводит к тому, что остальная часть неба приобретает синий цвет. Это явление отличается от красного смещения , поскольку спектроскопические линии не смещаются в сторону других длин волн в покрасневших объектах, и с этим явлением связано дополнительное затемнение и искажение из-за рассеяния фотонов на луче зрения и за его пределами .

Синий сдвиг

«Blueshift» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о термине, используемом в фотохимии, см. гипсохромный сдвиг . Чтобы узнать о политическом явлении, см. Синий сдвиг (политика) . Чтобы узнать о других значениях слов «blueshift» или «blueshift», см. Blueshift (значения) .

Противоположностью красному смещению является синее смещение . Голубое смещение — это любое уменьшение длины волны (увеличение энергии ) с соответствующим увеличением частоты электромагнитной волны . В видимом свете это смещает цвет в сторону синего конца спектра.

Допплеровское синее смещение

Доплеровское красное и синее смещение

Доплеровское синее смещение вызвано движением источника к наблюдателю. Этот термин применяется к любому уменьшению длины волны и увеличению частоты, вызванному относительным движением, даже за пределами видимого спектра . со скоростями, близкими к релятивистским Только объекты, движущиеся к наблюдателю , кажутся невооруженным глазом заметно голубее , но длина волны любого отраженного или испущенного фотона или другой частицы укорачивается в направлении движения.

Доплеровское синее смещение используется в астрономии для определения относительного движения:

• Галактика Андромеды движется к нашей Млечный Путь галактике в Местной группе ; таким образом, при наблюдении с Земли его свет претерпевает синее смещение.
• Компоненты двойной звездной системы будут смещаться в синий цвет при движении к Земле
• При наблюдении спиральных галактик сторона, вращающаяся к нам, будет иметь небольшое голубое смещение относительно стороны, вращающейся от нас (см. соотношение Талли-Фишера ).
• блазары Известно, что направляют к нам релятивистские струи , испуская синхротронное и тормозное излучение , которое выглядит с синим смещением.
• Близлежащие звезды, такие как звезда Барнарда , движутся к нам, что приводит к очень небольшому голубому смещению.
• Доплеровское синее смещение далеких объектов с высоким z можно вычесть из гораздо большего космологического красного смещения, чтобы определить относительное движение в расширяющейся Вселенной .

Гравитационное синее смещение

Волны материи (протоны, электроны, фотоны и т. д.), попадая в гравитационный колодец, становятся более энергичными и подвергаются независимому от наблюдателя синему смещению.

В отличие от относительного доплеровского синего смещения, вызванного движением источника к наблюдателю и, таким образом, зависящего от принятого угла фотона, гравитационное синее смещение является абсолютным и не зависит от принятого угла фотона:

Фотоны, вылетающие из гравитирующего объекта, становятся менее энергичными. Эта потеря энергии известна как «красное смещение», поскольку фотоны видимого спектра кажутся более красными. Точно так же фотоны, попадающие в гравитационное поле, становятся более энергичными и демонстрируют синее смещение. ... Обратите внимание, что величина эффекта красного смещения (синего смещения) не является функцией угла испускания или угла приема фотона - она ​​зависит только от того, насколько далеко в радиальном направлении фотон должен был подняться из потенциала (попасть в него). хорошо.

Это естественное следствие сохранения энергии и эквивалентности массы-энергии , подтвержденное экспериментально в 1959 году экспериментом Паунда-Ребки . Гравитационное синее смещение способствует анизотропии космического микроволнового фона (CMB) посредством эффекта Сакса-Вульфа : когда гравитационная яма развивается во время прохождения фотона, величина синего смещения при приближении будет отличаться от величины гравитационного красного смещения при выходе из области.

Синие выбросы

Есть далекие активные галактики , у которых наблюдается голубое смещение [O III] эмиссионных линий . Одно из самых больших голубых смещений обнаружено у узколинейного квазара , PG 1543+489 относительная скорость которого составляет -1150 км/с. Эти типы галактик называются «голубыми выбросами».

Космологическое голубое смещение

В гипотетической Вселенной, переживающей безудержное сжатие Большого сжатия , будет наблюдаться космологическое голубое смещение, при этом галактики, расположенные дальше, будут смещаться в голубую сторону все сильнее – полная противоположность фактически наблюдаемому космологическому красному смещению в нынешней расширяющейся Вселенной .

См. также

• Гравитационный потенциал
• Релятивистский эффект Доплера

Источники

Статьи

• Оденвальд, С. и Финберг, RT. 1993 год; «Пересмотр красного смещения галактики» в журнале Sky & Telescope , февраль 2003 г.; стр. 31–35 (Эту статью полезно читать дальше, чтобы различать три типа красного смещения и их причины.)
• Лайнуивер, Чарльз Х. и Тамара М. Дэвис, « Заблуждения о Большом взрыве », журнал Scientific American , март 2005 г. (Эта статья полезна для объяснения механизма космологического красного смещения, а также для выяснения неправильных представлений относительно физики расширения пространства. .)

Книги

• 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 . Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN издательства  978-0-201-54730-6 .
• Фейнман, Ричард; Лейтон, Роберт; Сэндс, Мэтью (1989). Фейнмановские лекции по физике. Том. 1 . Аддисон-Уэсли. ISBN  978-0-201-51003-4 .
• Грон, Эйвинд ; Хервик, Сигбьёрн (2007). Общая теория относительности Эйнштейна . Нью-Йорк: Спрингер. ISBN  978-0-387-69199-2 .
• Харрисон, Эдвард (2000). Космология: Наука о Вселенной (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-66148-5 .
• Катнер, Марк (2003). Астрономия: физическая перспектива . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-52927-3 .
• Миснер, Чарльз; Торн, Кип С.; Уилер, Джон Арчибальд (1973). Гравитация . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN  978-0-7167-0344-0 .
• Пиблс, PJE (1993). Принципы физической космологии . Издательство Принстонского университета. ISBN  978-0-691-01933-8 .
• Тейлор, Эдвин Ф.; Уиллер, Джон Арчибальд (1992). Физика пространства-времени: Введение в специальную теорию относительности (2-е изд.). У. Х. Фриман. ISBN  978-0-7167-2327-1 .
• Вайнберг, Стивен (1971). Гравитация и космология . Джон Уайли. ISBN  978-0-471-92567-5 .
• См. также учебники по физической космологии , чтобы узнать о применении космологического и гравитационного красных смещений.

Внешние ссылки

• Учебник Неда Райта по космологии
• Запись в космическом справочнике о красном смещении
• Учебное пособие Майка Люцика по астрономическому красному смещению
• Анимированный GIF-изображение космологического красного смещения от Уэйна Ху
• Меррифилд, Майкл; Хилл, Ричард (2009). «Z Красное Смещение» . ШЕСТЬψ СИМВОЛЫ . Брэди Харан из Ноттингемского университета .