Красное смещение галактик

Красное смещение галактик — это явление, при котором спектральные линии в излучении галактик смещаются в сторону более длинных волн (красную часть спектра) по сравнению с их лабораторными значениями. Красное смещение является одним из ключевых наблюдательных явлений в астрономии и космологии, и оно сыграло важную роль в открытии расширения Вселенной.

 

Основные понятия

1. Эффект Доплера:

   • Красное смещение связано с эффектом Доплера, который описывает изменение частоты и длины волны излучения в зависимости от скорости движения источника относительно наблюдателя.

   • Если источник удаляется от наблюдателя, его спектральные линии смещаются в красную сторону (красное смещение).

   • Если источник приближается, линии смещаются в синюю сторону (синее смещение).

2. Космологическое красное смещение:

   • В случае галактик красное смещение вызвано не только их собственным движением, но и расширением Вселенной. Это явление называется космологическим красным смещением.

   • Из-за расширения Вселенной пространство "растягивается", что приводит к увеличению длины волны света, путешествующего через него.

 

Формула красного смещения

Красное смещение $z$ определяется как:

$$\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">z</span></em>}<em><span\; style="font-size:16px;">=</span></em>\frac{{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">\lambda </span></em>}}_{\text{<em><span style="font-size:16px;">набл</span></em>}}<em><span\; style="font-size:16px;">-</span></em>{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">\lambda </span></em>}}_{\text{<em><span style="font-size:16px;">ист</span></em>}}}{{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">\lambda </span></em>}}_{\text{<em><span style="font-size:16px;">ист</span></em>}}}<em><span\; style="font-size:16px;">,</span></em>$$

где:

• ${\lambda }_{\text{набл}}$ — наблюдаемая длина волны,

• ${\lambda }_{\text{ист}}$ — исходная длина волны (лабораторное значение).

Если $z>0$, это красное смещение; если $z<0$, это синее смещение.

 

История открытия

1. Наблюдения Весто Слайфера:

   • В 1910-х годах астроном Весто Слайфер обнаружил, что спектральные линии многих галактик смещены в красную сторону. Это указывало на то, что галактики удаляются от нас.

2. Закон Хаббла:

   • В 1929 году Эдвин Хаббл установил, что красное смещение галактик пропорционально их расстоянию от нас. Это соотношение известно как закон Хаббла:

     $$\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">v</span></em>}<em><span\; style="font-size:16px;">=</span></em>{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">H</span></em>}}_{\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">0</span></em>}}<em><span\; style="font-size:16px;">\cdot </span></em>\mathrm{<em><span\; style="font-size:16px;">d</span></em>}<em><span\; style="font-size:16px;">,</span></em>$$

     где:

     • $v$ — скорость удаления галактики,

     • $d$ — расстояние до галактики,

     • $H_0$ — постоянная Хаббла (современное значение около 70 км/с/Мпк).

 

Причины красного смещения

1. Космологическое расширение Вселенной:

   • Основная причина красного смещения галактик — это расширение Вселенной. Свет, испущенный далёкими галактиками, "растягивается" вместе с расширением пространства, что приводит к увеличению длины волны.

2. Собственное движение галактик:

   • Галактики могут иметь собственные скорости, вызванные гравитационным взаимодействием с другими объектами. Эти скорости также вносят вклад в наблюдаемое красное смещение.

3. Гравитационное красное смещение:

   • В сильных гравитационных полях (например, вблизи чёрных дыр) свет теряет энергию, что приводит к увеличению длины волны. Однако для галактик этот эффект обычно мал.

 

Космологическое значение

1. Подтверждение расширения Вселенной:

   • Красное смещение галактик стало основным доказательством расширения Вселенной, что привело к принятию теории Большого взрыва.

2. Измерение расстояний:

   • Красное смещение используется для определения расстояний до далёких галактик. Чем больше красное смещение, тем дальше находится галактика и тем моложе была Вселенная в момент испускания света.

3. Изучение эволюции Вселенной:

   • Наблюдая галактики с разными красными смещениями, астрономы изучают, как Вселенная изменялась со временем.

 

Примеры красного смещения

1. Близкие галактики:

   • Например, галактика Андромеды (M31) имеет синее смещение ($z<0$), так как она приближается к нам.

2. Далекие галактики:

   • Галактики с большими красными смещениями ($z>1$) наблюдаются такими, какими они были миллиарды лет назад. Например, галактика GN-z11 имеет красное смещение $z\approx 11$, что соответствует времени, когда Вселенной было всего около 400 миллионов лет.

 

Методы измерения

1. Спектроскопия:

   • Спектральные линии (например, линии водорода, кислорода) используются для точного измерения красного смещения.

2. Фотометрическое красное смещение:

   • Оценивается по изменению цвета галактики в разных фильтрах. Этот метод менее точен, но подходит для больших обзоров.

 

Красное смещение и космологические модели

1. Закон Хаббла:

   • Красное смещение связано с расстоянием до галактики через закон Хаббла. Однако на больших расстояниях необходимо учитывать ускорение расширения Вселенной.

2. Тёмная энергия:

   • Наблюдения далёких сверхновых с большими красными смещениями показали, что расширение Вселенной ускоряется. Это привело к открытию тёмной энергии.

3. Космологические параметры:

   • Красное смещение используется для определения таких параметров, как постоянная Хаббла, плотность вещества и тёмной энергии.

 

Будущие исследования

1. Крупные обзоры неба:

   • Проекты, такие как Euclid и LSST, будут измерять красные смещения миллионов галактик, чтобы уточнить космологические модели.

2. Изучение ранней Вселенной:

   • Наблюдения галактик с большими красными смещениями ($z>6$) помогают понять, как формировались первые галактики и звёзды.

 

Заключение

Красное смещение галактик — это мощный инструмент для изучения Вселенной. Оно не только подтвердило расширение Вселенной, но и позволило измерить её возраст, состав и эволюцию. Благодаря красному смещению астрономы могут "заглянуть" в прошлое и исследовать, как формировались галактики, звёзды и крупномасштабная структура Вселенной.