Уставший свет
Часть серии о |
Физическая космология |
---|
![]() |
Усталый свет — это класс гипотетических механизмов красного смещения , который был предложен в качестве альтернативного объяснения зависимости красного смещения от расстояния . Эти модели были предложены в качестве альтернативы моделям, предполагающим расширение Вселенной . Концепция была впервые предложена в 1929 году Фрицем Цвикки , который предположил, что если фотоны со временем теряют энергию в результате столкновений с другими частицами обычным образом, более удаленные объекты будут казаться краснее, чем более близкие.
Цвикки признал, что любое рассеяние света может размыть изображения удаленных объектов сильнее, чем то, что видно. Кроме того, поверхностная яркость галактик, развивающаяся со временем , замедление времени космологических источников и тепловой спектр космического микроволнового фона - эти эффекты не должны присутствовать, если космологическое красное смещение было вызвано каким-либо механизмом усталого рассеяния света. наблюдались [1] [2] [3] Несмотря на периодический пересмотр этой концепции, усталый свет не был подтвержден наблюдательными тестами и остается второстепенной темой в астрофизике. [4]
История и прием
[ редактировать ]Идея « усталого света» возникла благодаря наблюдению Эдвина Хаббла о том, что галактик далеких красные смещения пропорциональны их расстоянию . Красное смещение — это сдвиг спектра испускаемого объектом электромагнитного излучения в сторону меньших энергий и частот, связанный с явлением эффекта Доплера . Наблюдатели спиральных туманностей, таких как Весто Слайфер, заметили, что эти объекты (теперь известные как отдельные галактики ) обычно демонстрируют красное, а не синее смещение, независимо от того, где они расположены. Поскольку эта зависимость сохраняется во всех направлениях, ее нельзя отнести к нормальному движению относительно фона, который демонстрирует набор красных и синих смещений. Все удаляется от галактики Млечный Путь. Вклад Хаббла заключался в том, чтобы показать, что величина красного смещения сильно коррелирует с расстоянием до галактик.
Основываясь на данных Слайфера и Хаббла, в 1927 году Жорж Леметр понял, что эта корреляция может соответствовать нестатическим решениям уравнений теории гравитации Эйнштейна, решениям Фридмана-Леметра. Однако статья Леметра была оценена только после публикации Хаббла в 1929 году. Универсальное соотношение красного смещения и расстояния в этом решении объясняется влиянием расширяющейся Вселенной на фотон, путешествующий в нулевом пространственно-временном интервале (также известном как «светоподобная» геодезическая линия ). ). В этой формулировке все еще присутствовал эффект, аналогичный эффекту Доплера , хотя с относительными скоростями нужно обращаться с большей осторожностью, поскольку расстояния могут определяться по-разному в расширяющейся Вселенной .
В то же время были предложены и другие объяснения, не согласующиеся с общей теорией относительности. Эдвард Милн предложил объяснение, совместимое со специальной теорией относительности , но не с общей теорией относительности, согласно которому произошел гигантский взрыв, который мог бы объяснить красные смещения (см. Вселенную Милна ). Другие предположили, что систематические эффекты могут объяснить корреляцию красного смещения и расстояния. В этом духе Фриц Цвики в 1929 году предложил механизм «усталого света». [5] Цвики предположил, что фотоны могут медленно терять энергию , путешествуя на огромные расстояния в статической вселенной за счет взаимодействия с материей или другими фотонами или за счет какого-то нового физического механизма. Поскольку уменьшение энергии соответствует увеличению длины волны света , этот эффект приведет к красному смещению спектральных линий , которое увеличивается пропорционально расстоянию от источника. Термин «уставший свет» был придуман Ричардом Толманом в начале 1930-х годов как способ обозначения этой идеи. [6] Хельге Краг отметил, что «гипотеза Цвикки была самой известной и самой тщательно разработанной альтернативой расширяющейся Вселенной, но она была далеко не единственной. Более дюжины физиков, астрономов и ученых-любителей предложили в 1930-х годах идеи усталого света, имеющие общие черты. предположение о том, что небулярные фотоны взаимодействуют с межгалактической материей, которой они передают часть своей энергии». Краг отметил, в частности, Джона Куинси Стюарта , Уильяма Дункана Макмиллана и Вальтера Нернста . [7]
Механизмы усталого света были среди предложенных альтернатив Большого Взрыва и Устойчивого Состояния космологии , обе из которых опирались на общее релятивистское расширение Вселенной метрики FRW. В середине двадцатого века большинство космологов поддерживали одну из этих двух парадигм , но было несколько ученых, особенно тех, кто работал над альтернативами общей теории относительности, которые работали с альтернативой усталого света. [8] По мере того, как в конце двадцатого века развивалась дисциплина наблюдательной космологии , а связанные с ней данные становились все более многочисленными и точными, Большой Взрыв стал космологической теорией, наиболее подкрепленной данными наблюдений, и остается общепринятой консенсусной моделью с текущей параметризацией , которая точно определяет состояние и эволюцию Вселенной. Хотя предложения «космологии усталого света» сейчас более или менее отправлены на свалку истории, в качестве совершенно альтернативного предложения космологии усталого света считались отдаленной возможностью, заслуживающей некоторого рассмотрения в текстах по космологии еще в 1980-х годах, хотя отклонили его как маловероятное и специальное предложение. ведущие астрофизики [9]

К 1990-м годам и в XXI веке ряд фальсифицирующих наблюдений показал, что гипотезы «усталого света» не являются жизнеспособным объяснением космологических красных смещений. [2] Например, в статической Вселенной с уставшими световыми механизмами поверхностная яркость звезд и галактик должна быть постоянной, то есть, чем дальше находится объект, тем меньше света мы получаем, но его видимая площадь также уменьшается, поэтому получаемый свет разделенное на видимую площадь, должно быть постоянным. В расширяющейся Вселенной поверхностная яркость уменьшается с расстоянием. По мере удаления наблюдаемого объекта фотоны испускаются с меньшей скоростью, поскольку каждому фотону приходится преодолевать расстояние, немного большее, чем предыдущее, а его энергия немного снижается из-за увеличения красного смещения на большем расстоянии. С другой стороны, в расширяющейся Вселенной объект кажется больше, чем он есть на самом деле, потому что он был ближе к нам, когда фотоны начали свое путешествие. Это вызывает разницу в блеске поверхности объектов статической и расширяющейся Вселенной. Это известно как тест поверхностной яркости Толмана , который в этих исследованиях подтверждает гипотезу расширяющейся Вселенной и исключает модели статического усталого света. [10] [11] [12]
Красное смещение доступно непосредственному наблюдению и используется космологами как прямая мера времени ретроспективного анализа . Они часто относятся к возрасту и расстоянию до объектов в терминах красного смещения, а не лет или световых лет. В таком масштабе Большой взрыв соответствует красному смещению в бесконечность. [10] Альтернативные теории гравитации , в которых нет расширяющейся Вселенной, нуждаются в альтернативе, объясняющей соответствие между красным смещением и расстоянием, которое является уникальным для расширяющихся показателей общей теории относительности. Такие теории иногда называют «космологией усталого света», хотя не все авторы обязательно осведомлены об исторических предшественниках. [13]
Конкретные фальсифицированные модели
[ редактировать ]
В общем, любой механизм «усталого света» должен решать некоторые основные проблемы, а именно: наблюдаемое красное смещение должно:
- допускают одно и то же измерение в любом диапазоне длин волн
- не проявлять размытия
- следуйте подробному соотношению Хаббла, наблюдаемому с данными о сверхновых (см. Ускоряющуюся Вселенную )
- объяснить связанное с этим замедление времени космологически далеких событий.
За прошедшие годы было предложено несколько механизмов усталого света. Фриц Цвикки в своей статье, предлагающей эти модели, исследовал ряд объяснений красного смещения, некоторые из которых исключил сам. Самая простая форма теории усталого света предполагает экспоненциальное уменьшение энергии фотонов с пройденным расстоянием:
где это энергия фотона на расстоянии от источника света, - энергия фотона в источнике света, а — большая константа, характеризующая «сопротивление пространства». Чтобы соответствовать закону Хаббла , константа должно быть несколько гигапарсеков . Например, Цвикки рассмотрел вопрос о том, может ли интегрированный эффект Комптона объяснить нормализацию масштаба вышеупомянутой модели:
... свет, исходящий из далеких туманностей, претерпел бы сдвиг в красный цвет из-за эффекта Комптона на этих свободных электронах [в межзвездных пространствах] [...] Но тогда свет, рассеянный во всех направлениях, сделал бы межзвездное пространство невыносимо непрозрачным, что избавляет от приведенное выше объяснение. [...] очевидно, что любое объяснение, основанное на процессе рассеяния, таком как эффект Комптона или эффект Рамана и т. д., окажется в безнадежном положении в отношении хорошей четкости изображений. [5]
Это ожидаемое «размытие» космологически далеких объектов не наблюдается в наблюдательных данных, хотя для того, чтобы с уверенностью показать это, потребовались бы гораздо более крупные телескопы, чем те, которые были доступны в то время. В качестве альтернативы Цвикки предложил своего рода объяснение эффекта Сакса – Вольфа для соотношения расстояний в красном смещении:
Можно было бы ожидать смещения спектральных линий из-за разницы статического гравитационного потенциала на разных расстояниях от центра галактики. Этот эффект, конечно, не имеет никакого отношения к удалению наблюдаемой галактики от нашей собственной системы и, следовательно, не может дать никакого объяснения обсуждаемому в данной статье явлению. [5]
Согласно более поздним наблюдениям, предложения Цвикки были тщательно представлены как фальсифицируемые:
... [а] гравитационный аналог эффекта Комптона [...] Легко видеть, что вышеуказанное красное смещение должно асимметрично расширять эти линии поглощения в сторону красного цвета. Если эти линии можно сфотографировать с достаточно высокой дисперсией, то смещение центра тяжести линии даст красное смещение, не зависящее от скорости системы, из которой испускается свет. [5]
Такое уширение линий поглощения не наблюдается у объектов с большим красным смещением, что опровергает эту конкретную гипотезу. [14]
Цвикки также отмечает в той же статье, что, согласно модели усталого света, зависимость расстояния от красного смещения обязательно будет присутствовать в свете источников внутри нашей галактики (даже если красное смещение будет настолько малым, что его будет трудно измерить). ), которые не фигурируют в теории, основанной на скорости спада. Он пишет, имея в виду источники света внутри нашей галактики: «Особенно желательно определять красное смещение независимо от собственных скоростей наблюдаемых объектов». [5] После этого астрономы терпеливо нанесли на карту трехмерное фазовое пространство скорости и положения галактики и обнаружили, что красное и синее смещения галактических объектов хорошо согласуются со статистическим распределением спиральной галактики, исключив при этом внутреннюю составляющую красного смещения как эффект. . [15]
Вслед за Цвикки в 1935 году Эдвин Хаббл и Ричард Толман сравнили рецессионное красное смещение с нерецессионным, написав, что они
оба склоняются, однако, к мнению, что, если красное смещение не связано с рецессионным движением, его объяснение, вероятно, будет включать в себя некоторые совершенно новые физические принципы [... и] использование статической модели Вселенной Эйнштейна в сочетании с предположение, что фотоны, испускаемые туманностью, теряют энергию на пути к наблюдателю из-за какого-то неизвестного эффекта, линейного с расстоянием и приводящего к уменьшению частоты без заметного поперечного отклонения. [16]
Выполнить эти условия стало практически невозможно, и общий успех общих релятивистских объяснений связи красного смещения и расстояния является одной из основных причин того, что модель Вселенной Большого Взрыва остается предпочитаемой космологией исследователями.
В начале 1950-х годов Эрвин Финлей-Фрейндлих предположил, что красное смещение является «результатом потери энергии наблюдаемыми фотонами, пересекающими поле излучения». [17] которое цитировалось и аргументировалось в качестве объяснения связи красного смещения и расстояния в статье по теории астрофизики Nature 1962 года , написанной профессором физики Манчестерского университета П. Ф. Брауном. [18] Выдающийся космолог Ральф Ашер Альфер три месяца спустя написал письмо в журнал Nature в ответ на это предположение, резко критикуя этот подход: «Никакого общепринятого физического механизма для этой потери предложено не было». [19] Тем не менее, до тех пор, пока не наступила так называемая «Эра точной космологии» с результатами космического зонда WMAP и современными исследованиями красного смещения , [20] Модели усталого света иногда могут публиковаться в ведущих журналах, в том числе в журнале Nature за февраль 1979 года, в котором предлагается «распад фотонов» в искривленном пространстве-времени. [21] пять месяцев спустя в том же журнале оно подверглось критике как совершенно несовместимое с наблюдениями за гравитационным красным смещением, наблюдаемым на лимбе Солнца . [22] была опубликована статья, утверждающая, что теории усталого света объясняют красное смещение лучше, чем космическое расширение В 1986 году в Astrophysical Journal . [23] но десять месяцев спустя в том же журнале было показано, что такие устаревшие световые модели не согласуются с существующими наблюдениями. [24] По мере того, как космологические измерения становились более точными, а статистика в наборах космологических данных улучшалась, предложения об усталом свете в конечном итоге оказались фальсифицированными. [1] [2] [3] описал эту теорию до такой степени, что в 2001 году научный писатель Чарльз Сейф как «30 лет назад твердо находящуюся на грани физики ; тем не менее, ученые искали более прямые доказательства расширения космоса». [25]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Райт, Э.Л. Ошибки в космологии усталого света .
- ^ Jump up to: а б с Томмазо Треу, слайды лекций для Калифорнийского университета в Санта-Барбаре курса астрофизики . п. 16. Архивировано 23 июня 2010 г. в Wayback Machine .
- ^ Jump up to: а б Пиблз, PJE (1998). «Стандартная космологическая модель». В Греко, М. (ред.). Физические встречи в долине Аоста . arXiv : astro-ph/9806201 .
- ^ Овердуин, Джеймс Мартин; Вессон, Пол С. (2008). Светлая/темная вселенная: свет галактик, темная материя и темная энергия . Мировое научное издательство. п. 10. ISBN 978-981-283-441-6 .
- ^ Jump up to: а б с д и Цвики, Ф. (1929). «О красном смещении спектральных линий в межзвездном пространстве» . Труды Национальной академии наук . 15 (10): 773–779. Бибкод : 1929PNAS...15..773Z . дои : 10.1073/pnas.15.10.773 . ПМК 522555 . ПМИД 16577237 .
- ^ Эванс, Майрон В.; Вижье, Жан-Пьер (1996). Загадочный фотон: теория и практика поля B3 . Спрингер. п. 29. ISBN 978-0-7923-4044-7 .
- ^ Краг, Хельге (2019). «Альтернативные космологические теории». В Краге, Хельге; Лонгэр, Малкольм С. (ред.). Оксфордский справочник по истории современной космологии . п. 29. дои : 10.1093/oxfordhb/9780198817666.013.4 . ISBN 978-0-19-881766-6 .
- ^ Уилсон, О.К. (1939). «Возможные применения сверхновых для изучения небулярных красных смещений». Астрофизический журнал . 90 : 634. Бибкод : 1939ApJ....90..634W . дои : 10.1086/144134 .
- ^ См., например, с. 397 Джозефа Силка книги «Большой взрыв» . (1980) WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-1812-X .
- ^ Jump up to: а б Геллер, MJ; Пиблс, PJE (1972). «Проверка постулата о расширяющейся Вселенной» . Астрофизический журнал . 174 : 1. Бибкод : 1972ApJ...174....1G . дои : 10.1086/151462 .
- ^ Гольдхабер, Г.; Грум, Делавэр; Ким, А.; Олдеринг, Г.; Астье, П.; Конли, А.; Деустуа, ЮВ; Эллис, Р.; Фаббро, С.; Фрухтер, А.С.; Губар, А.; Крюк, И.; Ирвин, М.; Ким, М.; Кноп, РА; Лидман, К.; МакМахон, Р.; Ньюджент, ЧП; Боль, Р.; Панагия, Н.; Пеннипакер, Чехия; Перлмуттер, С.; Руис-Лапуэнте, П.; Шефер, Б.; Уолтон, Северная Каролина; Йорк, Т.; Проект космологии сверхновых (2001). «Параметризация растяжения шкалы времени кривых блеска B-диапазона сверхновой типа Ia». Астрофизический журнал . 558 (1): 359–368. arXiv : astro-ph/0104382 . Бибкод : 2001ApJ...558..359G . дои : 10.1086/322460 . S2CID 17237531 .
- ^ Любин, Лори М.; Сэндидж, Аллан (2001). «Тест поверхности яркости Толмена на предмет реальности расширения. IV. Измерение сигнала Толмена и эволюция светимости галактик раннего типа». Астрономический журнал . 122 (3): 1084–1103. arXiv : astro-ph/0106566 . Бибкод : 2001AJ....122.1084L . дои : 10.1086/322134 . S2CID 118897528 .
- ^ Барроу, Джон Д. (2001). Питер Коулз (ред.). Путеводитель Рутледжа по новой космологии . Рутледж. п. 308. Бибкод : 2001rcnc.book.....C . ISBN 978-0-415-24312-4 .
- ^ Ньютон, Элизабет (27 апреля 2011 г.). «Поиски C IV на высоких красных смещениях» . astrobites.org . Проверено 4 ноября 2023 г.
- ^ Бинни и Меррифилд: Галактическая астрономия . Издательство Принстонского университета, ISBN 978-0-691-02565-0 .
- ^ Хаббл, Эдвин ; Толман, Ричард К. (ноябрь 1935 г.). «Два метода исследования природы небулярного красного смещения». Астрофизический журнал . 82 : 302. Бибкод : 1935ApJ....82..302H . дои : 10.1086/143682 .
- ^ Финлей-Фрейндлих, Э. (1954). «Красные смещения в спектрах небесных тел». Труды Физического общества А. 67 (2): 192–193. Бибкод : 1954PPSA...67..192F . дои : 10.1088/0370-1298/67/2/114 .
- ^ Браун, П.Ф. (1962). «Дело в пользу экспоненциального закона красного смещения». Природа . 193 (4820): 1019–1021. Бибкод : 1962Natur.193.1019B . дои : 10.1038/1931019a0 . S2CID 4154001 .
- ^ Альфер, Р.А. (1962). «Лабораторная проверка гипотезы красного смещения Финли-Фрейндлиха». Природа . 196 (4852): 367–368. Бибкод : 1962Natur.196..367A . дои : 10.1038/196367b0 . S2CID 4197527 .
- ^ Смут, Джордж С. «Наш век точной космологии». Материалы Международного симпозиума 2002 г. по космологии и астрофизике элементарных частиц (CosPA 02), Тайбэй, Тайвань, 31 мая - 2 июня 2002 г. (стр. 314–325).
- ^ Кроуфорд, Д.Ф. (1979). «Распад фотона в искривленном пространстве-времени». Природа . 277 (5698): 633–635. Бибкод : 1979Natur.277..633C . дои : 10.1038/277633a0 . S2CID 4317887 .
- ^ Беккерс, Дж. М.; Крам, Ле (июль 1979 г.). «Использование эффекта солнечного лимба для проверки теории распада фотонов и космологического красного смещения». Природа . 280 (5719): 255–256. Бибкод : 1979Natur.280..255B . дои : 10.1038/280255a0 . S2CID 43273035 .
- ^ ЛаВиолетт, Пенсильвания (апрель 1986 г.). «Действительно ли Вселенная расширяется?». Астрофизический журнал . 301 : 544–553. Бибкод : 1986ApJ...301..544L . дои : 10.1086/163922 .
- ^ Райт, Эл . (февраль 1987 г.). «Источник в хронометрической космологии». Астрофизический журнал . 313 : 551–555. Бибкод : 1987ApJ...313..551W . дои : 10.1086/164996 .
- ^ Чарльз Сейф (28 июня 2001 г.). « Гипотеза «усталого света» снова устарела» . Наука . Проверено 3 июня 2016 г.
Измерения космического микроволнового фона 30 лет назад поставили эту теорию на периферию физики; тем не менее, ученые искали более прямые доказательства расширения космоса.