ФЕНОМЕН КРАСНОГО СМЕЩЕНИЯ, Эффект Доплера - Красное смещение: закон Хаббла

Эффект Доплера

Звезды находятся далеко и кажутся просто светящимися точками в небе. Для простого наблюдателя практически неразличимы ни форма, ни размеры звезд. Для подавляющего большинства звезд существует только одно характерное свойство, которое можно наблюдать - это цвет идущего от них света.

В XII в. Исаак Ньютон открыл, что, проходя через трехгранный кусок стекла, называемый призмой, солнечный свет разлагается, как в радуге, на цветовые компоненты (спектры).

Используя современную оптику можно аналогичным образом разложить в спектр свет, испускаемый звездой или галактикой. Разные звезды имеют разные спектры, но относительная яркость разных цветов всегда в точности такая же, как в свете, который излучает какой-нибудь раскаленный докрасна, не имеющий отношения к звездам предмет. Кроме того, некоторые очень специфические цвета вообще отсутствуют в спектрах звезд, причем отсутствующие цвета разные для разных звезд. Т. к. каждый химический элемент поглощает или излучает электромагнитные волны на строго определенных частотах и образует в спектре неповторимую картину из линий, возможно сравнить их с теми цветами, которых нет в спектре исследуемого объекта, и таким образом точно определить, какие элементы присутствуют в ее атмосфере.

Космологическое красное смешение - это смешение линий в сторону длинных волн в спектре, который получен от далекого космического источника (например, галактики или квазара), по сравнению с длинами волн тех же линий, измеренными от неподвижного источника. Известны два механизма, приводящих к появлению красного смещения, соответственно космологического и гравитационного:

1. Космологическое красное смещение, обусловленное эффектом Доплера, возникает в том случае, когда движение источника света относительно наблюдателя приводит к увеличению расстояния между ними. В результате эффекта Доплера, частота излучения от удаленных объектов, например, звезд, может изменяться (понижаться или повышаться), а линии соответственно могут смещаться в красную (длинноволновую) или синюю (коротковолновую) часть спектра, сохраняя, однако, свое неповторимое относительное расположение.

Рассмотрим подробнее эффект Доплера. Видимый свет - это колебания электромагнитного поля. Частота (число волн в одну секунду) световых колебаний чрезвычайно высока - от 400 до 700000000 млн. волн в секунду. Человеческий глаз воспринимает свет разных частот как разные цвета, причем самые низкие частоты соответствуют красному концу спектра, самые высокие - фиолетовому. Очевидно, что частота приходящих волн от источника света, расположенного на фиксированном расстоянии будет такой же, как та, с которой они излучаются (пусть гравитационное поле галактики невелико и его влияние несущественно).

При движении источника в сторону наблюдателя, он окажется ближе к нам, а потому время, за которое гребень этой волны дойдет до наблюдателя, будет меньше, чем в случае неподвижной звезды. Стало быть, время между гребнями двух пришедших волн будет меньше, а число волн, принимаемых за одну секунду (т. е. частота), будет больше, чем когда звезда была неподвижна. При удалении же источника частота приходящих волн будет меньше. Это означает, что спектры удаляющихся звезд будут сдвинуты к красному концу (красное смещение), а спектры приближающихся звезд должны испытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между скоростью и частотой и называется эффектом Доплера.

В релятивистском случае (в случае использования теории относительности), когда скорость движения источника сравнима со скоростью света, красное смещение может возникнуть и в том случае, если расстояние между движущимся источником и приемником не изменяется (т. н. поперечный эффект Доплера). Красное смещение, возникающее при этом, интерпретируется как результат релятивистского "замедления" времени на источнике по отношению к наблюдателю.

2. Гравитационное красное смещение возникает, когда приемник света находится в области с меньшим (по модулю) гравитационным потенциалом, чем источник. В классической интерпретации этого эффекта фотоны теряют часть энергии на преодоление сил гравитации. В результате характеризующая фотон частота уменьшается, а длина волны излучения растет. Примером гравитационного красного смещения может служить наблюдаемое смещение линий в спектрах плотных звезд - белых карликов.

В дальнейшем мы будем говорить о космологическом красном смещении.

Математически красное смещение выражается отношением разницы принятой и испущенной длин волн к испущенной длине волны. Линии в спектре движущегося источника смещаются на величину, пропорциональную скорости его приближения или удаления, поэтому скорость галактики всегда можно вычислить по изменению положения ее спектральных линий.

Зная красное смешение z, можно определить скорость удаления галактики v. Если эта скорость невелика по сравнению со скоростью света (с = 300000 км/с), она выражается простой формулой:

V = cz, (1)

Если измеренное по спектральным линиям z > 1, то скорость связана с ним более сложным образом и зависит от принятой модели Вселенной (см. ниже модели Фридмана).

Похожие статьи




ФЕНОМЕН КРАСНОГО СМЕЩЕНИЯ, Эффект Доплера - Красное смещение: закон Хаббла

Предыдущая | Следующая