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).
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 астрономических объектов и используются в наземных технологиях, таких как доплеровский радар и радиолокационные пушки .
Существуют и другие физические процессы, которые могут привести к сдвигу частоты электромагнитного излучения, включая рассеяние и оптические эффекты ; однако результирующие изменения отличаются от (астрономического) красного смещения и обычно не называются таковыми (см. раздел о физической оптике и переносе излучения).
История предмета началась с развития в 19 веке классической волновой механики и исследования явлений, связанных с эффектом Доплера . Эффект назван в честь Кристиана Доплера , который предложил первое известное физическое объяснение этого явления в 1842 году. [1] Гипотеза была проверена и подтверждена для звуковых волн голландским учёным Кристофором Байсом Бюллетенем в 1845 году . [2] Допплер правильно предсказал, что это явление должно относиться ко всем волнам, и, в частности , предполагалось, что различные цвета звезд можно объяснить их движением относительно Земли. [3] Однако, прежде чем это было подтверждено, было обнаружено, что цвета звезд обусловлены в первую очередь температурой звезды , а не движением. Лишь позже допплер был подтвержден проверенными наблюдениями за красным смещением. [ нужна цитата ]
Первое доплеровское красное смещение было описано французским физиком Ипполитом Физо в 1848 году, который указал на сдвиг спектральных линий , наблюдаемый у звезд, как результат эффекта Доплера. Этот эффект иногда называют «эффектом Доплера – Физо». В 1868 году британский астроном Уильям Хаггинс первым определил этим методом скорость удаления звезды от Земли. [4] В 1871 году оптическое красное смещение было подтверждено, когда это явление наблюдалось в линиях Фраунгофера с использованием вращения Солнца, около 0,1 Å в красной области спектра. [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 с помощью системы вращающихся зеркал. [7]
Артур Эддингтон использовал термин « красное смещение» еще в 1923 году. [8] [9] Это слово не появляется без дефиса примерно до 1934 года, когда его придумал Виллем де Ситтер . [10]
Начав наблюдения в 1912 году, Весто Слайфер обнаружил, что большинство спиральных галактик , которые тогда в основном считались спиральными туманностями , имели значительное красное смещение. Слайфер впервые сообщает о своих измерениях в первом выпуске « Бюллетеня обсерватории Лоуэлла ». [11] Три года спустя он написал обзор в журнале Popular Astronomy . [12] В нем он заявляет, что «раннее открытие того, что великая спираль Андромеды имела совершенно исключительную скорость –300 км (/с), показало доступные на тот момент средства, способные исследовать не только спектры спиралей, но и их скорости как хорошо." [13] Слайфер сообщил о скоростях 15 спиральных туманностей, разбросанных по всей небесной сфере , все, кроме трех, имели наблюдаемые «положительные» (то есть рецессионные) скорости. Впоследствии Эдвин Хаббл обнаружил примерную связь между красными смещениями таких «туманностей» и расстояниями до них с помощью формулировки своего одноименного закона Хаббла . [14] Милтон Хьюмасон работал над этими наблюдениями вместе с Хабблом. [15] Эти наблюдения подтвердили работу Александра Фридмана 1922 года, в которой он вывел уравнения Фридмана-Леметра . [16] В настоящее время они считаются убедительным доказательством расширяющейся Вселенной и теории Большого взрыва . [17]
Спектр света, исходящего от источника (см. иллюстрацию идеализированного спектра вверху справа), можно измерить . Чтобы определить красное смещение, нужно искать такие особенности спектра, как линии поглощения , линии излучения или другие изменения интенсивности света. В случае обнаружения эти особенности можно будет сравнить с известными особенностями спектра различных химических соединений, обнаруженных в экспериментах, в которых это соединение находится на Земле. Очень распространенный атомный элемент в космосе — водород . Спектр изначально безликого света, проходящего через водород, будет иметь характерный для водорода спектр , который имеет особенности через регулярные промежутки времени. Если ограничиться линиями поглощения, это будет выглядеть так, как показано на рисунке (вверху справа). Если та же самая картина интервалов наблюдается в наблюдаемом спектре от удаленного источника, но происходит на смещенных длинах волн, его также можно идентифицировать как водород. Если в обоих спектрах обнаруживается одна и та же спектральная линия, но на разных длинах волн, то красное смещение можно рассчитать, используя таблицу ниже.
Для определения красного смещения объекта таким способом требуется диапазон частот или длин волн. Чтобы вычислить красное смещение, необходимо знать длину волны излучаемого света в системе покоя источника: другими словами, длину волны, которую мог бы измерить наблюдатель, расположенный рядом с источником и движущийся вместе с ним. Поскольку в астрономических приложениях это измерение невозможно выполнить напрямую, поскольку для этого потребуется путешествие к интересующей далекой звезде, вместо этого используется описанный здесь метод с использованием спектральных линий. Красные смещения нельзя рассчитать, рассматривая неопознанные объекты, частота остальных кадров которых неизвестна, или используя безликий спектр или белый шум (случайные колебания спектра). [19]
Красное смещение (и синее смещение) может характеризоваться относительной разницей между наблюдаемой и излучаемой длиной волны (или частотой) объекта. В астрономии это изменение принято обозначать безразмерной величиной, называемой z . Если λ представляет длину волны, а f представляет частоту (обратите внимание, λf = c , где c — скорость света ), то z определяется уравнениями: [20]
После измерения z различие между красным и синим смещением сводится лишь к тому, 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. Аналогичным образом, гравитационное синее смещение связано со светом, излучаемым источником, находящимся в более слабом гравитационном поле , наблюдаемым из более сильного гравитационного поля, тогда как гравитационное красное смещение предполагает противоположные условия.
В общей теории относительности можно вывести несколько важных частных формул для красного смещения в некоторых особых геометриях пространства-времени, которые обобщены в следующей таблице. Во всех случаях величина сдвига (величина z ) не зависит от длины волны. [21]
Если источник света удаляется от наблюдателя, возникает красное смещение ( z > 0 ); если источник движется к наблюдателю, то происходит синее смещение ( z < 0 ). Это справедливо для всех электромагнитных волн и объясняется эффектом Доплера . Следовательно, этот тип красного смещения называется доплеровским красным смещением . Если источник удаляется от наблюдателя со скоростью v , которая намного меньше скорости света ( v ≪ c ), красное смещение определяется выражением
где с — скорость света . В классическом эффекте Доплера частота источника не изменяется, но рецессионное движение создает иллюзию более низкой частоты.
Более полная трактовка 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 со скоростью, близкой к скорости света, будут испытывать отклонения от приведенной выше формулы из-за замедления времени специальной теории относительности , которое можно исправить, введя фактор Лоренца γ в классическую формулу Доплера следующим образом (для движения исключительно в Поле зрения):
Это явление было впервые обнаружено в эксперименте 1938 года, проведенном Гербертом Э. Айвсом и Г. Р. Стилвеллом и названном экспериментом Айвса-Стилвелла . [23]
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 — это угол между направлением относительного движения и направлением излучения в системе наблюдателя [24] (нулевой угол находится непосредственно от наблюдателя), полная форма релятивистского эффекта Доплера принимает вид:
а для движения исключительно на луче зрения ( θ = 0° ) это уравнение сводится к:
В частном случае, когда свет движется под прямым углом ( θ = 90° ) к направлению относительного движения в системе наблюдателя, [25] релятивистское красное смещение известно как поперечное красное смещение , а красное смещение:
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 голубое смещение, а при более высокой скорости приближающийся источник будет смещаться в красную сторону. [26]
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 уравнений общей теории относительности Эйнштейна . Корреляция между красными смещениями и расстояниями возникает во всех расширяющих моделях. [17]
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. [27]
Наблюдательные последствия этого эффекта можно вывести, 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 :
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 соотношением космического времени и красного смещения . Обозначим коэффициент плотности как Ω 0 :
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. [28] При больших красных смещениях, 1 + z > Ω 0 −1 , находим:
где H 0 — современная постоянная Хаббла , а z — красное смещение. [29] [30] [31]
Существует несколько веб-сайтов для расчета различных времен и расстояний от красного смещения, поскольку для точных расчетов требуются числовые интегралы для большинства значений параметров. [32] [33] [34] [35]
Для космологических красных смещений z <0,01 дополнительные доплеровские красные и синие смещения, обусловленные пекулярными движениями галактик относительно друг друга, вызывают широкий разброс по сравнению со стандартным законом Хаббла . [36] 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. [37] [38] [39]
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). [40] 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. [41] 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 наблюдателем свет проходит через обширные области расширяющегося пространства. В результате все длины волн света растягиваются из-за расширения пространства. Это так просто...» [ 42] пояснил Стивен Вайнберг : «Увеличение длины волны от испускания до поглощения света зависит не от скорости изменения a ( t ) [здесь a ( t ) — масштабный коэффициент Робертсона-Уокера ] в моменты испускания или поглощения, а от увеличения a ( t ) за весь период от излучения до поглощения». [43]
Если бы Вселенная сжималась, а не расширялась, мы бы видели далекие галактики сдвинутыми в синий цвет на величину, пропорциональную их расстоянию, а не в красную. [44]
В общей теории относительности существует замедление времени внутри гравитационной ямы. Это известно как гравитационное красное смещение или сдвиг Эйнштейна . [45] Теоретический вывод этого эффекта следует из решения Шварцшильда уравнений Эйнштейна , которое дает следующую формулу для красного смещения, связанного с фотоном, путешествующим в гравитационном поле незаряженной , невращающейся , сферически симметричной массы:
где
Этот результат гравитационного красного смещения может быть получен из предположений специальной теории относительности и принципа эквивалентности ; полная теория общей теории относительности не требуется. [46]
Эффект очень мал, но его можно измерить на Земле с помощью эффекта Мессбауэра , и он впервые наблюдался в эксперименте Паунда-Ребки . [47] Однако вблизи черной дыры оно существенно , 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 ). [48]
Красное смещение, наблюдаемое в астрономии, можно измерить, поскольку спектры излучения и поглощения 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. [50]
Спектроскопия как измерение значительно сложнее простой фотометрии , при которой яркость астрономических объектов измеряется с помощью определенных фильтров . [51] Когда доступны только фотометрические данные (например, Hubble Deep Field и Hubble Ultra Deep Field ), астрономы полагаются на технику измерения фотометрических красных смещений . [52] Из-за широкого диапазона длин волн в фотометрических фильтрах и необходимых предположений о природе спектра источника света погрешности такого рода измерений могут достигать δ z = 0,5 и гораздо менее надежны, чем спектроскопические. определения. [53] 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. ( Более подробную информацию о фотометрических последствиях красного смещения см. в K-поправке .) [54]
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 звезд в спектрально-двойных системах . Этот метод впервые применил в 1868 году британский астроном Уильям Хаггинс . [4] Аналогичным образом, небольшие красные и голубые 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 планетарных транзиты для определения точных параметров орбиты. [55] Точные измерения красных смещений используются в гелиосейсмологии для определения точных движений фотосферы Солнца . [56] Красное смещение также использовалось для первых измерений скорости вращения планет , [ 57 ] скоростей межзвездных облаков , [58] вращения галактик , [21] и динамики аккреции на нейтронные звезды и черные дыры. которые демонстрируют как доплеровское, так и гравитационное красное смещение. [59] Кроме того, температуры различных излучающих и поглощающих объектов могут быть получены путем измерения доплеровского уширения — фактически красного и синего смещения в пределах одной линии излучения или поглощения. [60] 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. [21] Подобные измерения были выполнены и на других галактиках, таких как Андромеда . [21] В качестве диагностического инструмента измерения красного смещения являются одним из наиболее важных спектроскопических измерений, проводимых в астрономии.
Самые отдаленные объекты демонстрируют большее красное смещение, соответствующее хаббловскому потоку Вселенной . 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 [61] и 379 000 лет после начальных моментов Большого взрыва . [62]
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. [ нужна цитата ]
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 . [63] 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. [ нужна цитата ]
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. [63] 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. . [64] [ нужна страница ]
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. [ нужна цитата ]
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 . [65]
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 [66] с красным смещением z = 11,1 , что соответствует 400 миллионам лет после Большого взрыва, и UDFy -38135539 [67] с красным смещением z = 8,6 , что соответствует 600 миллионов лет после Большого взрыва. Немного менее надежными являются красные смещения Лаймана , самое высокое из которых — линзованная галактика A1689-zD1 с красным смещением z = 7,5 [68] [69] , а следующее по величине — z = 7,0 . [70] Самым отдаленным наблюдаемым гамма-всплеском со спектроскопическим измерением красного смещения был GRB 090423 , который имел красное смещение z = 8,2 . [71] Самый далекий из известных квазаров, ULAS J1342+0928 , находится на z = 7,54 . [72] [73] Самая известная радиогалактика с красным смещением (TGSS1530) имеет красное смещение z = 5,72 [74] , а самым известным молекулярным материалом с красным смещением является обнаружение излучения молекулы CO из квазара SDSS J1148+5251. при z = 6,42 . [75]
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. [76] Объекты, которые даже краснее, чем ERO, называются гиперэкстремально красными объектами (HERO). [77]
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. [78] Еще не наблюдаемый первый свет старейших звезд населения III , произошедший вскоре после того, как впервые образовались атомы и реликтовое излучение почти полностью перестало поглощаться, может иметь красное смещение в диапазоне 20 < z < 100 . [79] Другими событиями с большим красным смещением, предсказанными физикой, но не наблюдаемыми в настоящее время, являются космический нейтринный фон примерно через две секунды после Большого взрыва (и красное смещение, превышающее z > 10 10 ) [80] и испускаемый фон космических гравитационных волн. непосредственно от инфляции при красном смещении, превышающем z > 10 25 . [81]
В июне 2015 года астрономы сообщили о наличии звезд населения III в галактике Cosmos Redshift 7 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. [82] [83]
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. [84]
Первым обзором красного смещения был CfA Redshift Survey , начатый в 1977 году, а первоначальный сбор данных был завершен в 1982 году. [85] Совсем недавно 2dF Galaxy Redshift Survey определил 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 опубликован 30 июня 2003 года. [86] Слоановский цифровой обзор неба (SDSS) продолжается с 2013 года и направлен на измерение красных смещений около 3 миллионов объектов. [87] 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 с новым спектрографом DEIMOS ; 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. [88]
Взаимодействия и явления, обобщенные в предметах переноса излучения и физической оптики, могут привести 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 . [21] 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 этот термин обычно используется для обозначения эффектов, обсуждавшихся выше. [21]
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 ). [21] 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 и искажение спектральных линий . [21]
В межзвездной астрономии видимые спектры могут казаться более красными из-за процессов рассеяния в явлении, называемом межзвездным покраснением [21] — аналогично рэлеевское рассеяние вызывает атмосферное покраснение Солнца , наблюдаемое на восходе или закате, и заставляет остальную часть неба иметь 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 . [ нужна цитата ]
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.
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 . Только объекты, движущиеся к наблюдателю с почти релятивистской скоростью , кажутся невооруженным глазом заметно голубее , но длина волны любого отраженного или испущенного фотона или другой частицы укорачивается в направлении движения. [89]
Доплеровское синее смещение используется в астрономии для определения относительного движения:
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. [92] [93]
Это естественное следствие сохранения энергии и эквивалентности массы и 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. [94]
Есть далекие активные галактики , у которых наблюдается голубое смещение эмиссионных линий [O III] . Одно из самых больших голубых смещений обнаружено у узкополосного квазара PG 1543+489, относительная скорость которого составляет -1150 км/с. [91] Такие галактики называются «голубыми выбросами». [91]
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 . [ нужна цитата ]
Таким образом, становится актуальным исследовать влияние красного смещения и метрики Вселенной на видимую величину и наблюдаемое количество туманностей данной величины.
Величина этой скорости, которая является наибольшей из наблюдаемых до сих пор, поднимает вопрос, не может ли перемещение, подобное скорости, быть вызвано какой-то другой причиной, но я полагаю, что в настоящее время у нас нет другой интерпретации этого явления.
Совершенно верно интерпретировать уравнения относительности в терминах расширяющегося пространства.
Ошибка состоит в том, чтобы зайти слишком далеко в аналогиях и наполнить пространство физическими свойствами, которые не согласуются с уравнениями относительности.
{{cite conference}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)