Что такое красное смещение, и кто его открыл?

Идея расширяющейся Вселенной не сразу завоевала твердые позиции в научном мире. Она возникла благодаря спектральному анализу излучения космических объектов. О том, что представляет собой красное смещение, подтвердившее общепринятую теперь теорию разлета галактик, и кем это явление было открыто, – в материале 24СМИ.

Что такое красное смещение

Когда длина волн электромагнитного излучения какого-либо космического объекта увеличивается, то спектральные линии сдвигаются к красному концу спектра. Это явление, зафиксированное в тех случаях, когда объект удаляется от наблюдателя с околосветовой скоростью, получило в астрономии название «красное смещение». В зависимости от причины ученые выделяют три вида последнего: доплеровское, гравитационное и космологическое.

Суть последнего заключается в том, что для излучения далеких космических источников (звезд и галактик) характерно наличие «покраснения» спектра. Это свидетельствует о том, что упомянутые объекты удаляются друг от друга и от Млечного Пути, что и подводит к идее расширения Вселенной.

Чем объясняется красное смещение в спектрах галактик

Красное смещение в спектрах галактик объясняется эффектом Доплера, который научно обосновывает идею расширяющейся Вселенной. Большой взрыв запустил движение пространства, из-за чего источник света все дальше «убегает» от наблюдателя. Этот феномен позволяет рассчитать, на каком расстоянии смотрящий находится от изучаемого объекта и как долго излучение последнего добиралось до Земли.

Сущность описываемого эффекта формулируется так: чем линии ближе к красной стороне спектрограммы, тем выше скорость, с которой растет дистанция между наблюдателем и источником излучения.

Открытие явления

Красное смещение открыл американец Весто Слайфер еще в начале XX века: спектральный анализ ряда галактик показал наличие сдвига длин волн испускаемого ими излучения в красную область. Истолковать это с точки зрения какой-либо космологической теории на том этапе развития астрофизики представлялось невозможным. Поэтому ученый воспользовался для объяснения обнаруженного явления представлениями о доплеровском эффекте, согласно которым вышло, что галактики стремительно удалялись от Солнечной системы.

Следующий шаг сделал Эдвин Хаббл, обнаруживший связь между расстоянием до галактики и степенью сдвига спектральных линий в красную сторону. Большее смещение характерно для трудноразличимых, далеких астрономических объектов, принимаемых первоначально за туманности. Отсюда последовал вывод: по мере удаления растет и скорость. Опираясь на эффект Доплера, Хаббл заключил, что все видимые галактики «разбегаются» со скоростями, линейно зависящими от расстояния между ними.

Так астроном пришел к открытию своего закона, выражающегося формулой v = Hr, где v – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, H – коэффициент пропорциональности. Обнаруженные после изысканий Хаббла галактики тоже подчиняются этому закону, а значит, сделанные американским астрономом выводы приобрели иной масштаб – красное смещение в спектрах галактик свидетельствует о расширении Вселенной.

Как определяют расстояние до галактик

Благодаря закону Хаббла современные исследователи космоса получили инструмент, способствующий насколько это возможно точному определению местоположения галактик и их скоплений.

По закону Хаббла скорость удаления исследуемого объекта обязана быть равной расстоянию до него, умноженному на число Н, названное в честь выведшего эту зависимость ученого. Сегодня постоянная Хаббла принимается равной H = 70 км/(с•Мпк), где Мпк – мегапарсек. Расстояние по красному смещению определяют, используя этот закон: находят величину сдвига в красную область и делят на упомянутый фиксированный коэффициент.

Применяя закон Хаббла, астрономы оценивают размеры Вселенной. Они измеряют величины сдвигов спектральных линий излучений наиболее удаленных объектов и используют постоянную Хаббла для определения расстояний до галактик. Таким образом, красное смещение помогает установить скорость космического объекта, а следовательно, и его дальность.

Красное смещение представляет собой общепризнанный метод сравнения расстояний до наиболее отдаленных источников излучения. Так, в 2011 году астрономы зарегистрировали объект, находящийся дальше всех наблюдаемых человечеством – гамма-всплеск, исходящий от звездного взрыва и получивший имя GRB 090429B. Исследователи сумели датировать это событие: согласно их расчетам, звезда «полыхнула» 13,14 млрд лет назад, практически сразу после Большого взрыва.

На сегодняшний момент самой дальней из наблюдаемых галактик признана GN-z11. В 2016 году благодаря космическому телескопу, названному в честь Хаббла, астрономы установили, что по времени возникновения этот объект относится к первым страницам истории Вселенной – несколько сотен миллионов лет после взрыва, создавшего сущее. Анализ показателя «покраснения» в спектрограмме GN-z11 позволил астрофизикам определить степень воздействия расширения Вселенной на изучаемый объект. Величина превысила измеренные в других случаях: красное смещение галактики оказалось равно 11,1.

Реликтовое излучение

Наибольшее красное смещение фиксируют в процессе анализа реликтового излучения. Последнее представляется еще одним фактом, свидетельствующим о расширении Вселенной. Его открыли в 1965 году. Это слабое фоновое радиоизлучение, приходящее к нам равномерно со всех сторон с очень высокой степенью изотропности. Никакие найденные космические объекты не могли бы испускать подобное в текущее время.

Единственным объяснением этого феномена является излучение Вселенной в раннюю эпоху. По расчетам, оно берет начало примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва, когда космическое пространство только начало эволюционировать. Для реликтового излучения космологический фактор Z, использующийся для количественной характеристики эффекта красного смещения, приближается к 1400.

Другая теория

Современные астрономы единогласно объясняют красное смещение с помощью эффекта Доплера, ведущего к идее расширения Вселенной. Но встречается и альтернативная гипотеза, призванная опровергнуть общепринятую теорию.

Некоторые ученые высказали мысль о том, что причина красного смещения вовсе не в сверхскоростном разбегании галактик друг от друга, а в «старении света». Согласно этому допущению, свет краснеет в результате того, что преодолевает наполненное разреженным газом межгалактическое пространство. Излучение теряет короткие волны, из-за чего в свете туманностей и наблюдается покраснение. Причем без сдвига линий в спектре.

Гипотеза основывается на предположении о том, что за время блуждания по космическим просторам свет частично лишается энергии. Поэтому волны удлиняются, демонстрируя красное смещение, никак не указывающее при этом на разбегание галактик. Утверждение не располагает доказательной базой, поскольку потеря светом энергии – явление, не подтвержденное наукой.

Красное смещение и квазары

На расширение Вселенной указывает и анализ спектрограмм квазаров – предельно удаленных источников радиоизлучения. Исследования позволили установить: спектральные линии этих излучающих объектов в значительной мере смещены в сторону длинных волн. Ни одна галактика не показывала прежде такого красного смещения в собственном спектре.

С точки зрения закона Хаббла, величина сдвига в сторону «покраснения» указывает на то, что масса, скорость и расстояние до квазаров огромны. Это источники мощнейшего излучения, которые значительно удалены от Земли. Скорости квазаров, находящихся в миллиардах световых лет от Солнечной системы, достигают десятков тысяч км/сек.

Квазары – пример того, что максимально далекое астрономическое тело обладает соответствующими дистанции спектральным сдвигом и скоростью. Это убеждает в следующем: красное смещение означает отсутствие стационарности у Метагалактики, как ученые называют доступную для изучения часть наблюдаемой Вселенной, а не «старение света».

Синее смещение

Есть и противоположный красному смещению эффект – синее смещение. Такое название дали явлению, при котором линии видимого электромагнитного излучения в спектрах далеких галактик характеризуются сдвигом к коротковолновому концу. Этот феномен тоже объясняется движением источника излучения, только в этом случае он становится не дальше, а ближе. Существуют модели Вселенной, где ее эволюционное развитие на отдельной стадии предполагает, что свободная электромагнитная волна испытывает космологическое синее смещение.

Исследуя удаляющиеся объекты, теоретически астрономы сталкиваются только с красным смещением, но некоторые квазары и радиогалактики образуют направленные в нашу сторону джеты – лучи, преодолевающие большие расстояния. Эта струя вещества набирает скорость, приближающуюся к световой. И тогда в соответствии с доплеровским эффектом наблюдатель обнаруживает «посинение» спектра. Однако последнее не свидетельствует о приближении, так как по причине расширения при всей своей скорости джеты «улетают» в противоположную сторону.

Пример такого явления ученые нашли в квазаре GB1508+5714, который удаляется от нашей галактики со скоростью, превышающей световую в 1,13 раза, и имеет красное смещение 4,3. Джет этого объекта направлен на смотрящего с Земли, но скорость его частиц не достигает световой, поэтому расстояние между наблюдателем и квазаром неминуемо увеличивается, а не сокращается.