Уставший свет — это класс гипотетических механизмов красного смещения , который был предложен в качестве альтернативного объяснения связи красного смещения с расстоянием . Эти модели были предложены в качестве альтернативы моделям, включающим расширение Вселенной . Эта концепция была впервые предложена в 1929 году Фрицем Цвикки , который предположил, что если фотоны теряют энергию с течением времени посредством столкновений с другими частицами регулярным образом, то более удаленные объекты будут казаться краснее, чем более близкие.
Цвикки признал, что любое рассеяние света размывает изображения удаленных объектов больше, чем то, что видно. Кроме того, наблюдались поверхностная яркость галактик, эволюционирующих 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 рассеяния уставшего света. [1] [2] [3] Несмотря на периодические повторные проверки концепции, уставший свет не был подкреплен наблюдательными тестами и остается второстепенной темой в астрофизике. [4]
Идея усталого света возникла из-за наблюдения Эдвина Хаббла , что далекие галактики имеют красные смещения , пропорциональные их расстоянию . Красное смещение — это сдвиг в спектре испускаемого электромагнитного излучения от объекта в сторону более низких энергий и частот, связанный с явлением эффекта Доплера . Наблюдатели спиральных туманностей, такие как Весто Слайфер, заметили, что эти объекты (теперь известные как отдельные галактики ) обычно демонстрируют красное смещение, а не синее смещение, независимо от того, где они находятся. Поскольку соотношение сохраняется во всех направлениях, его нельзя приписать нормальному движению относительно фона, который показал бы набор красных и синих смещений. Все удаляется от галактики Млечный Путь. Вклад Хаббла состоял 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 по достоинству только после публикации Хаббла в 1929 году. Универсальное соотношение красного смещения и расстояния в этом решении объясняется эффектом, который расширяющаяся Вселенная оказывает на фотон, движущийся по нулевому интервалу пространства-времени (также известному как «светоподобная» геодезическая ). В этой формулировке все еще присутствовал аналогичный эффекту Доплера , хотя с относительными скоростями нужно обращаться с большей осторожностью, поскольку расстояния могут быть определены по-разному в расширяющейся Вселенной .
В то же время были предложены другие объяснения, которые не согласуются 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 . Вселенная Милна ). Другие предположили, что систематические эффекты могут объяснить корреляцию красного смещения и расстояния. В этом направлении Фриц Цвикки предложил механизм «уставшего света» в 1929 году. [5] Цвикки предположил, что фотоны могут медленно терять энергию , проходя огромные расстояния через статическую вселенную, взаимодействуя с материей или другими фотонами, или с помощью какого-то нового физического механизма. Поскольку уменьшение энергии соответствует увеличению длины волны света , этот эффект приведет к красному смещению в спектральных линиях , которое увеличивается пропорционально расстоянию до источника. Термин «уставший свет» был придуман Ричардом Толменом в начале 1930-х годов как способ обозначения этой идеи. [6] Хельге Краг отметил: «Гипотеза Цвикки была самой известной и самой продуманной альтернативой расширяющейся Вселенной, но она была далеко не единственной. Более дюжины физиков, астрономов и ученых-любителей предложили в 1930-х годах идеи усталого света, общим для которых было 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 Большому взрыву и космологии стационарного состояния , 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 дисциплина наблюдательной космологии развивалась в конце двадцатого века, а связанные с ней данные становились все более многочисленными и точными, Большой взрыв стал космологической теорией, наиболее подкрепленной наблюдательными свидетельствами, и он остается принятой консенсусной моделью с текущей параметризацией , которая точно определяет состояние и эволюцию Вселенной. Хотя предложения «космологий уставшего света» в настоящее время более или менее отправлены на свалку истории, как совершенно альтернативное предложение, космологии уставшего света считались отдаленной возможностью, заслуживающей некоторого рассмотрения в текстах по космологии вплоть до 1980-х годов, хотя и были отклонены как маловероятное и ad hoc предложение основными астрофизиками. [9]
К 1990-м годам и далее в двадцать первом веке ряд фальсифицирующих наблюдений показал, что гипотезы «уставшего света» не являются жизнеспособными объяснениями космологических красных смещений. [2] Например, в статической Вселенной с механизмами уставшего света поверхностная яркость звезд и галактик должна быть постоянной, то есть, чем дальше объект, тем меньше света мы получаем, но его видимая площадь также уменьшается, поэтому полученный свет, деленный на видимую площадь, должен быть постоянным. В расширяющейся Вселенной поверхностная яркость уменьшается с расстоянием. По мере удаления наблюдаемого объекта фотоны испускаются с уменьшенной скоростью, потому что каждый фотон должен пройти расстояние, которое немного больше, чем предыдущий, в то время как его энергия немного уменьшается 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 поверхностной яркости объектов между статической и расширяющейся Вселенной. Это известно как тест поверхностной яркости Толмена , который в этих исследованиях подтверждает гипотезу расширяющейся Вселенной и исключает статические модели уставшего света. [10] [11] [12]
Красное смещение можно наблюдать напрямую, и космологи используют его как прямую меру времени оглядывания назад . Они часто ссылаются на возраст и расстояние до объектов в терминах красного смещения, а не лет или световых лет. В таком масштабе Большой взрыв соответствует красному смещению бесконечности. [10] Альтернативные теории гравитации , не имеющие в себе расширяющейся Вселенной, нуждаются в альтернативе для объяснения соответствия между красным смещением и расстоянием, которое является sui generis для расширяющихся метрик общей теории относительности. Такие теории иногда называют «космологиями уставшего света», хотя не все авторы обязательно знают об исторических предшественниках. [13]
В целом, любой механизм «уставшего света» должен решать некоторые основные проблемы, а именно: наблюдаемое красное смещение должно:
За эти годы было предложено несколько механизмов усталого света. Фриц Цвикки в своей статье, предлагающей эти модели, исследовал ряд объяснений красного смещения, исключив некоторые из них самостоятельно. Простейшая форма теории усталого света предполагает экспоненциальное уменьшение энергии фотона с пройденным расстоянием:
где - энергия фотона на расстоянии от источника света, - энергия фотона в источнике света, а - большая константа, характеризующая "сопротивление пространства". Чтобы соответствовать закону Хаббла , константа должна быть несколько гигапарсеков . Например, Цвикки рассмотрел, может ли интегрированный эффект Комптона объяснить масштабную нормализацию вышеприведенной модели:
... свет, исходящий от далеких туманностей, претерпел бы сдвиг в красную сторону из-за эффекта Комптона на этих свободных электронах [в межзвездном пространстве] [...] Но тогда свет, рассеянный во всех направлениях, сделал бы межзвездное пространство невыносимо непрозрачным, что исключает приведенное выше объяснение. [...] очевидно, что любое объяснение, основанное на процессе рассеяния, таком как эффект Комптона или эффект Рамана и т. д., будет в безнадежном положении относительно хорошей четкости изображений. [5]
Это ожидаемое «размывание» космологически далеких объектов не наблюдается в наблюдательных свидетельствах, хотя для того, чтобы показать это с уверенностью, потребовались бы гораздо большие телескопы, чем те, что были доступны в то время. В качестве альтернативы Цвикки предложил своего рода объяснение эффекта Сакса-Вольфа для соотношения расстояния и красного смещения:
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 расстоянию наблюдаемой галактики от нашей собственной системы и, следовательно, не может дать никакого объяснения феномену, обсуждаемому в этой статье. [5]
Согласно более поздним наблюдениям, предложения Цвикки были тщательно представлены как фальсифицируемые:
... [a] гравитационный аналог эффекта Комптона [...] Легко видеть, что указанное выше красное смещение должно асимметрично расширять эти линии поглощения в красную сторону. Если эти линии можно сфотографировать с достаточно высокой дисперсией, смещение центра тяжести линии даст красное смещение, независимое от скорости системы, из которой испускается свет. [5]
Такое расширение линий поглощения не наблюдается в объектах с большим красным смещением, что опровергает данную гипотезу. [14]
Цвикки также отмечает в той же статье, что согласно модели усталого света, зависимость расстояния от красного смещения обязательно должна присутствовать в свете от источников в пределах нашей собственной галактики (даже если красное смещение будет настолько малым, что его будет трудно измерить), что не проявляется в теории, основанной на рецессионной скорости. Он пишет, ссылаясь на источники света в нашей галактике: «Особенно желательно определить красное смещение независимо от собственных скоростей наблюдаемых объектов». [5] После этого астрономы терпеливо составили карту трехмерного фазового пространства скорости и положения для галактики и обнаружили, что красные и синие смещения галактических объектов хорошо согласуются со статистическим распределением спиральной галактики, исключая внутренний компонент красного смещения как эффект. [15]
Вслед за Цвикки в 1935 году Эдвин Хаббл и Ричард Толмен сравнили рецессионное красное смещение с нерецессионным, написав, что они
Однако оба склоняются к мнению, что если красное смещение не вызвано рецессионным движением, его объяснение, вероятно, будет включать некоторые совершенно новые физические принципы [...] и] использование статической модели Вселенной Эйнштейна в сочетании с предположением, что фотоны, испускаемые туманностью, теряют энергию на своем пути к наблюдателю из-за какого-то неизвестного эффекта, который линейно зависит от расстояния и приводит к уменьшению частоты без заметного поперечного отклонения. [16]
Эти условия стало практически невозможно выполнить, и общий успех объяснений общей теории относительности для связи красного смещения с расстоянием является одной из основных причин того, что модель Большого взрыва Вселенной остается космологией, предпочитаемой исследователями.
В начале 1950-х годов Эрвин Финлей-Фрейндлих предложил красное смещение как «результат потери энергии наблюдаемыми фотонами, пересекающими поле излучения». [17] Это цитировалось и приводилось в качестве объяснения связи красного смещения с расстоянием в статье по астрофизической теории в журнале Nature 1962 года профессора физики Манчестерского университета П. Ф. Брауна. [18] Выдающийся космолог Ральф Эшер Альфер три месяца спустя написал письмо в журнал Nature в ответ на это предложение, резко раскритиковав подход: «Общепринятого физического механизма для этой потери не предложено». [19] Тем не менее, до наступления так называемой «Эпохи точной космологии» с результатами космического зонда WMAP и современных обзоров красного смещения [20] модели усталого света иногда публиковались в основных журналах, включая ту, которая была опубликована в выпуске Nature за февраль 1979 года, предлагающую «распад фотона» в искривленном пространстве-времени [21] , которая пять месяцев спустя была раскритикована в том же журнале как полностью несовместимая с наблюдениями гравитационного красного смещения, наблюдаемого в солнечном лимбе . [22] В 1986 году статья, утверждающая, что теории усталого света объясняют красное смещение лучше, чем космическое расширение, была опубликована в Astrophysical Journal [23] , но десять месяцев спустя в том же журнале было показано, что такие модели усталого света несовместимы с существующими наблюдениями. [24] По мере того, как космологические измерения становились более точными, а статистика в наборах космологических данных улучшалась, предложения об устаревшем свете в конечном итоге были опровергнуты [1] [2] [3] до такой степени, что в 2001 году научный писатель Чарльз Сейфе описал эту теорию как «находящуюся на грани физики 30 лет назад; тем не менее, ученые искали более прямые доказательства расширения космоса». [25]
Измерения реликтового излучения 30 лет назад прочно поместили эту теорию на периферию физики; тем не менее ученые искали более прямые доказательства расширения космоса.
