Спектр видимого света.
(Изображение: © NASA.)
Красное смещение и синее смещение описывают, как свет смещается в сторону более коротких или длинных волн, когда объекты в космосе (например, звезды или галактики) перемещаются ближе или дальше от нас. Эта концепция является ключом к составлению схемы расширения Вселенной.
Видимый свет - это спектр цветов, понятный любому, кто смотрел на радугу. Когда объект удаляется от нас, свет смещается к красному концу спектра, поскольку его длины волн становятся длиннее. Если объект перемещается ближе, свет перемещается к синему концу спектра, поскольку его длины волн становятся короче.
Чтобы подумать об этом более четко, Европейское космическое агентство предлагает представить себе, как вы слушаете полицейскую сирену, когда машина проезжает мимо вас по дороге.
«Все слышали повышенную высоту приближающейся полицейской сирены и резкое уменьшение высоты, когда сирена проходит мимо и удаляется. Эффект возникает потому, что звуковые волны достигают уха слушателя ближе друг к другу, когда источник приближается, и дальше друг от друга, когда он отступает, "ESA написал.
Звук и свет
Этот звуковой эффект был впервые описан Кристианом Андреасом Допплером в 1800-х годах и называется эффектом Доплера. Поскольку свет также исходит в длинах волн, это означает, что длины волн могут растягиваться или сжиматься вместе в зависимости от относительного положения объектов. Тем не менее, мы не замечаем этого в масштабе повседневной жизни, потому что свет распространяется намного быстрее, чем скорость звука - в миллион раз быстрее, отмечает ESA.
Американский астроном Эдвин Хаббл (в честь которого назван космический телескоп Хаббла) был первым, кто описал явление красного смещения и связал его с расширяющейся вселенной. Его наблюдения, обнаруженные в 1929 году, показали, что почти все галактики, которые он наблюдал, удаляются, говорит НАСА.
«Это явление наблюдалось как красное смещение спектра галактики», - пишет НАСА. «Это красное смещение оказалось больше для слабых, предположительно дальше, галактик. Следовательно, чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от Земли».
Галактики удаляются от Земли, потому что ткань самого пространства расширяется. В то время как сами галактики находятся в движении - например, Галактика Андромеды и Млечный путь находятся на пути столкновения - существует общее явление красного смещения, когда вселенная становится больше.
Термины красное смещение и синее смещение применяются к любой части электромагнитного спектра, включая радиоволны, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Таким образом, если радиоволны смещаются в ультрафиолетовую часть спектра, говорят, что они смещены в голубую сторону или смещены в сторону более высоких частот. Гамма-лучи, смещенные к радиоволнам, означают смещение на более низкую частоту или красное смещение.
Красное смещение объекта измеряется путем изучения линий поглощения или излучения в его спектре. Эти строки уникальны для каждого элемента и всегда имеют одинаковый интервал. Когда объект в космосе движется к нам или от нас, линии могут быть найдены на разных длинах волн, чем они были бы, если бы объект не двигался (относительно нас). [Связано: сделай свой спектроскоп]
Красное смещение определяется как изменение длины волны света, деленное на длину волны, которая была бы у света, если бы источник не двигался, называемая длиной волны покоя:
Три типа красного смещения
По крайней мере, три типа красного смещения происходят во вселенной - от расширения вселенной, от движения галактик относительно друг друга и от "гравитационного красного смещения", которое происходит, когда свет смещается из-за огромного количества вещества внутри галактики.
Последнее красное смещение является самым тонким из трех, но в 2011 году ученые смогли идентифицировать его в масштабе вселенной. Астрономы провели статистический анализ большого каталога, известного как Sloan Digital Sky Survey, и обнаружили, что гравитационное красное смещение действительно происходит - в точности в соответствии с теорией общей теории относительности Эйнштейна. Эта работа была опубликована в газете природы.
«У нас есть независимые измерения масс кластеров, поэтому мы можем рассчитать, каково ожидание гравитационного красного смещения на основе общей теории относительности», - сказал в то время астрофизик из Копенгагенского университета Радек Войтак. «Это точно соответствует измерениям этого эффекта».
Первое обнаружение гравитационного красного смещения произошло в 1959 году, после того, как ученые обнаружили его в гамма-свете, излучаемом из наземной лаборатории. До 2011 года он также был обнаружен на солнце и в близлежащих белых карликах, или мертвых звезд, которые остаются после того, как звезды размером с солнце прекращают ядерный синтез в конце своей жизни.
Известные использования красного смещения
Redshift помогает астрономам сравнивать расстояния далеких объектов. В 2011 году ученые объявили, что видели самый дальний объект, когда-либо виденный - гамма-всплеск GRB 090429B, который исходил от взрывающейся звезды. В то время, по оценкам ученых, взрыв произошел 13,14 миллиарда лет назад. Для сравнения, Большой взрыв произошел 13,8 миллиардов лет назад.
Самая дальняя известная галактика - GN-z11. В 2016 году космический телескоп Хаббл определил, что он существует всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Ученые измерили красное смещение GN-z11, чтобы увидеть, насколько сильно на его свет повлияло расширение Вселенной. Красное смещение GN-z11 было 11,1, что намного выше, чем следующее самое высокое красное смещение 8,68, измеренное от галактики EGSY8p7.
Ученые могут использовать красное смещение, чтобы измерить, как устроена вселенная в больших масштабах. Одним из примеров этого является Великая китайская стена Геркулес-Корона; свет проходит около 10 миллиардов лет, чтобы пройти через структуру. Sloan Digital Sky Survey - это продолжающийся проект красных смещений, который пытается измерить красные смещения нескольких миллионов объектов. Первым опросом по красному смещению был опрос CfA RedShift, который завершил первый сбор данных в 1982 году.
Одна из новых областей исследования касается способов извлечения информации о красном смещении из гравитационных волн, которые представляют собой возмущения в пространстве-времени, возникающие при ускорении или возмущении массивного тела. (Эйнштейн впервые предположил существование гравитационных волн в 1916 году, а Лазерная интерферометр-гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) впервые обнаружила их непосредственно в 2016 году). Поскольку гравитационные волны несут сигнал, который показывает их красную смещенную массу, извлечение красного смещения из этого требует некоторого вычисления и оценки, согласно статье 2014 года в рецензируемом журнале Physical Review X.
Примечание редактора: Эта статья была обновлена 7 августа 2019 года, чтобы отразить исправление. Радиоволны, смещенные в ультрафиолетовую часть спектра, имеют синий, а не красный смещение.
