что такое красное смещение и каково его возможное объяснение
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 ближайшего к Солнечной системе квазара 3C 273 равно всего z = 0,158 / ESA/Hubble & NASA
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.
Сделанное телескопом «Хаббл» фото галактики GN-z11, свет от которой шел до Земли 13,4 млрд лет / ESA/Hubble & NASA
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.
Фотографии квазара GB1508+5714, сделанные в оптическом и рентгеновском диапазонах телескопом «Чандра» / NASA/STScI/CXC/SAO/A.Siemiginowska
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.
Красное смещение
Впервые явление сдвига спектральных линий в спектрах звёзд при спектральном анализе было замечено французом И. Физо в 1848 году и он предложил это явление объяснить с помощью эффекта Доплера. Суть явления проста: чем больше смещение в красную сторону в спектрограмме объекта, тем быстрее удаляется от нас объект. Вообще, при удалении свет от объекта «краснеет», а при приближении «сдвигается» в фиолетовую сторону. Красное смещение есть и у целых галактик. Благодаря красному смещению было открыто вращение галактик. С одного края свет от галактики смещается в красную сторону, с другого — в фиолетовую. Соответственно, она вращается! Далёкие галактики имеют большее смещение, нежели близкие, и величина его растёт пропорционально расстоянию. Следовательно, чем дальше галактика — тем быстрее она удаляется от нас.
Красное смещение, в соответствии с теорией относительности, рассматривается в концепции расширения пространства. Смещение это также вызвано и расширяющимся пространством, и собственным движением галактик. Объясняется все просто: за время путешествия в космосе света от источника до нас, происходит еще и расширение пространства. Как следствие, расширяется и длина волны от источника во время своего пути. При двукратном расширении пространства, длина волны тоже увеличится вдвое.
Расширение пространства
Красное смещение – индикатор расширения Вселенной. В процессе расширяющегося пространства, галактики увеличивают расстояния между собой, но их координаты остаются прежними. Этот процесс можно уяснить, если представить, что пространство – это резиновый шарик, на который «приклеены» галактики. При её сферичной форме, расстояния между объектами будут расти во всех точках при надувании шарика. Только вот центра, от которого происходит удаление, не будет. Но тогда должны изменяться линейные размеры и внутри Солнечной системы. Из этого следует, что должно изменится и значение эталона длины – метра. Тогда получается, что количество метров до удалённых объектов всегда остаётся прежнее, и возможности для измерения расширения пространства нет.
Красное смещение и квазары
Х. Арп, один из первооткрывателей квазаров, предполагает, что эти объекты обладают собственным, внутренним, красным смещением. Оно не зависит от удаления объекта. Квазары-достаточно маленькие объекты в космических масштабах. Но если красные смещения верны в свете закона Хаббла, то и расстояния до них, и их массы, да и скорости их удаления будут иметь громадные величины.
«Старение» света
Некоторые астрономы подвергают сомнению теорию красного смещения, вернее, вывода, что его природа заставляет галактики обязательно разбегаться, да ещё с фантастическими скоростями. Была выдвинута идея, что свет, из-за чрезвычайно долгого путешествия сквозь разреженный газ межгалактического пространства, краснеет. Это происходит из-за потери спектром коротких волн, и туманности становятся краснее, хотя линии спектра не смещаются. Но красное смещение подразумевает именно этот процесс. Возможно, свет, бесконечно долго путешествуя во Вселенной, теряет часть своей энергии. Из-за этого происходит удлинение волн, порождающее красное смещение, но не связанное с разбеганием галактик. Однако, эта теория ещё не нашла подтверждения, никто еще не смог доказать, что свет каким-либо образом может терять энергию. Да и куда эта энергия девается — большой вопрос. На примере квазаров видно: чем они дальше от нас, тем больше их красное смещение, и как говорилось, соответственно, больше их скорость удаления.
Некосмологическое объяснение красного смещения
Красное смещение излучения галактик первоначально объясняли разлётом галактик после Большого взрыва, произошедшего в сингулярной точке. Позже стали объяснять расширением пространства Вселенной в результате повсеместного взрыва в горячей Вселенной. Но на самом деле красное смещение явление оптическое. Оно определяется тем, преимущественно из какой области галактики излучение попадает в спектр галактики.
Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) была создана в 1916 г. Найденное в 1922г А.Фридманом нестационарное решение уравнений ОТО и сформулированный в 1929г Хабблом закон зависимости расстояния до галактики от её красного смещения послужили основанием для введения гипотезы Большого взрыва. Несостоятельность модели точечного взрыва в холодной Вселенной с последующим разлётом галактик обнаружилась очень скоро и в 1948 году эта модель была заменена моделью о повсеместном взрыве в горячей Вселенной с последующим расширением самой Вселенной. Насколько известно, вопрос, была ли взрывающаяся Вселенная бесконечной или конечной, не ставился. А вопрос интересный. Если Вселенная была бесконечной, то о повсеместном (единовременном?) взрыве говорить нельзя. А если конечной, то каков был её размер.
Понятно, что следствия из теории, имеющей такие тяжёлые физические несоответствия, нельзя считать надёжными. В частности, это касается решения Фридмана о расширении Вселенной. И действительно, после того, как Логунов дополнил 10 уравнений Эйнштейна ещё четырьмя уравнениями, обеспечивающими выполнение законов сохранения (каждого в отдельности), выяснилось, что в такой модифицированной системе уравнений неограниченного расширения Вселенной нет. Так же, как нет и чёрных дыр. Таким образом, теорию Большого взрыва, основанную на ОТО, нужно воспринимать с большой долей сомнения.
Введение гипотезы Большого взрыва означает, по сути, отказ от закона Причины и Следствия, что вызывает неприятие у многих учёных. Вот симптомы этого.
22 мая 2004г. в Интернете6 и журнале New Scientist7 было опубликовано «Открытое письмо к научному сообществу» за подписями тридцати трёх ученых с мировой известностью. В письме говорится о фундаментальных проблемах теории Большого взрыва и о неоправданном ограничении космологических исследований только рамками теории Большого взрыва.
15 марта 2014 г в Австралии вышел документальный фильм «Что было до Большого взрыва», в котором пять известных космологов попытались наметить выход из тупиковой научной ситуации, вызванной теорией Большого взрыва.
Есть и другие примеры.
Сейчас уже понятно, что гипотеза Большого взрыва действительно приводит к тупиковой ситуации. Следующие понятия: стандартная модель, инфляция, тёмная материя, тёмная энеярги, теории возраста звёзд, галактик и самой Вселенной, не согласующиеся с результатами астрономических наблюдений и ряд других появились на свет вынужденно, для обоснования непротиворечивости теории Большого взрыва.
Замечание. По поводу стандартной модели приведём только одно свидетельство о появлении понятия «кварки» (из книги «Введение в классическую электродинамику», с.132): «Буквально только что упоминавшийся профессор ФИАНа Б.Л.Воронов (стр. 144) вновь готов нас удивить своими свидетельствами: «Я, может быть, позабавлю относительно кварка такой реальной историей. Кварк был предложен Гел-Маном [в 63- ем – 64- ом году]. На моих глазах, я был свидетелем, Игорь Евгеньевич Тамм, директор, заведующий теоретическим отделом ФИАН, в 65- м году проводил голосование: кто верит в кварки. Это было чистое измышление. Это было суждение, выведенное теоретиком на основании анализа структуры элементарных частиц методами теории групп. Он изучал некоторую симметрию и сказал, что в этой симметрии наиболее фундаментальны все остальные сущности. Значит, должны существовать носители этих фундаментальных понятий. Только понятий. Ну, кто верит? Поднялась только одна рука». Здесь всего в полном избытке – и методы теории групп, и некоторая симметрия, и даже голосование. Нет сущей мелочи – нет обсуждения физической модели. Решение проблемы – «протон состоит из кварков». Кварк возник как некий носитель математической структуры, некоего представления некоторой группы».
Были предприняты многочисленные попытки найти некосмологическое объяснение красному смещению. Их исчерпывающий обзор дан в работе «Недоплеровские объяснения красного смещения в спектрах далёких галактик». Но большинство астрономов и многие физики по-прежнему придерживаются доплеровской интерпретации красного смещения. Дело в том, что наблюдаемое красное смещение обладает свойством пропорциональности: для любой длины волны красное смещение, равное отношению приращения длины волны к длине волны , имеет одно и то же значение. А этим свойством обладает только доплеровское смещение.
Насколько можно судить по высказываниям различных авторов, иного объяснения красного смещения, кроме расширения Вселенной, сейчас не видят. Тем не менее, такое объяснение есть. В течение 1987-1995 гг. в реферативных журналах «Астрономия» последовательно появлялись сообщения о подтверждении некосмологической природы красного смещения. Разрабатываемая идея принадлежала В.М. Антонову. В конце 2005 года был создан научный сайт «Некоторые проблемы внегалактической астрономии», в первые две главы которого вошли почти все работы, о которых сообщалось в реферативном журнале. Сайт просуществовал до настоящего года, когда по финансовым соображениям был закрыт. Для желающих ознакомиться с концепцией Антонова могу добавить следующее: достаточно простое изложение основных результатов Антонова, относящихся к вопросу о красном смещении, есть здесь. Кроме того, основная идея о происхождении красного смещения изложена в популярной статье «Красное смещение галактик вызывается фоном ночного неба». В данной же работе об этом будет рассказано совсем коротко. Будут перечислены только выводы теории без объяснения того, как они получены.
Красное смещение галактик и квазаров – явление оптическое. Вызвано оно двумя факторами:
1.Первый фактор. Аккреция (падение под действием гравитации) межгалактического газа на ядро галактики. Аккреция газа начинается с расстояния приблизительно в полтора раза большего, чем радиус звёздного диска галактики. Падающий на ядро газ постепенно ускоряется и в глубоких слоях галактики достигает релятивистских скоростей. При падении частицы газа сталкиваются с межзвёздным газом и между собой. При столкновениях атомы газа то ионизуются, то рекомбинируют, вновь становясь нейтральными. От этого рождается излучение, называемое рекомбинационным. В начале аккреции рекомбинационное излучение очень слабое, намного слабее излучения звёзд. Но в глубоких слоях галактики ситуация меняется – интенсивность рекомбинационного излучения многократно превосходит интенсивность излучения звёзд. Особенности красного смещения галактик как раз и определяются тем, из какой области галактики излучение попадает в спектр.
2. Второй фактор. Наличие мерцающего ночного излучения (фона ночного неба) даже в безлунную ночь. Величина красного смещения определяется по смещению тёмных и светлых линий в спектре галактики (рис.1). Фон ночного неба неустраним при получении спектров как наземными, так и космическими лабораториями.
Рис.1
Если бы не было фона ночного неба, то для далёкой галактики можно было бы зафиксировать излучение из любой области диска. Для этого нужно было бы сделать достаточно длительную экспозицию. Но наличие хаотического мерцания неба ограничивает длительность экспозиции, так как при слишком большой экспозиции пластинка просто засветится. Поэтому излучение с краёв далёкой галактики, которые светятся слабее, чем центр, в спектр не попадает. Рис.2 иллюстрирует эту ситуацию: по мере увеличения расстояния r до галактики в спектр попадает излучение из всё более глубоких её слоёв (на рисунке r1
Красное смещение, иной взгляд
Красное смещение может возникнуть в следствие одной из следующих причин или их комбинацией:
Красное смещение и гравитация
Гравитационное красное смещение является проявлением эффекта изменения частоты электромагнитных волн по мере удаления от массивных объектов (звезд, планет). Оно наблюдается как сдвиг спектральных линий близких к массивным телам источников в красную область спектра. Свет, приходящий из областей с более слабым гравитационным полем, будет испытывать гравитационное синее смещение. Гравитационное красное смещение было предсказано А. Эйнштейном при разработке общей теории относительности (ОТО):
,
где:
Для электромагнитных волн, излучаемых на расстоянии r от центра масс массивного тела и принимаемых на бесконечности (R=∞), гравитационное красное смещение приблизительно равно:
,
Существенных вопросов к гравитационному красному смещению, в общем нет.
Красное смещение и старение света
Старение света (англ. tired light) — гипотеза, выдвинутая сторонниками стационарной Вселенной, в качестве альтернативного объяснения обнаруженной зависимости красного смещения от расстояния до объекта. Данная гипотеза не предполагает расширения Вселенной.
Концепция впервые была предложена Фрицем Цвикки в 1929 году, который предположил, что фотоны теряют энергию в столкновениях с другими частицами пространства.
Некоторые физики поторопились похоронить эту гипотезу, не зная реального строения элементарных частиц и подлинной картины их взаимодействий, Но полевая теория элементарных частиц позволяет по новому взглянуть на данную гипотезу и установить, как фотоны теряют часть своей энергии при прохождении через вселенную. Более того полевая теория нашла кандидатов на «темную материю» и «темных» переносчиков энергии (взамен «темной энергии»). Рассмотрим это более подробно.
Фотон-нейтринные взаимодействия
Одно дело, когда фотон летит параллельно с нейтрино (движущейся с около световой скоростью) одним курсом, когда они были оба излучены солнцем и совсем другое дело, когда фотон сталкивается с покоящимся нейтрино, со связанным состоянием из двух нейтрино, или с нейтрино, выпущенным другой звездой (движущейся в другом направлении). Теряемая фотоном энергия зависит от ориентации спина нейтрино, траектории по которой фотон проходит через нейтрино, а также от энергии самого фотона. Это не просто посчитать, но можно измерить с помощью космических аппаратов и лазеров.
Необходимо отметить, что данное взаимодействие не соответствует стандартной модели, поскольку последняя наделяет участвующие в нем элементарные частицы разными типами фундаментальных взаимодействий:
Количество нейтрино во Вселенной и возраст Вселенной
Теперь попытаемся оценить, сколько по Вселенной «гуляет» нейтрино.
Взаимодействия нейтрино
Красное смещение и эффект Доплера
Параметр смещения определяется как:
,
где λ и λ0 — значения длины волны в точках наблюдения и испускания излучения соответственно.
Доплеровское смещение длины волны в спектре источника, движущегося с лучевой скоростью и полной скоростью , равно:
,
При движении к источнику излучения длина волны будет уменьшаться, а при движении от источника излучения длина волны будет увеличиваться, и будет наблюдаться красное смещение.
Исходя из наблюдения красного смещения в спектрах галактик и эффекта Доплера делается вывод, что все галактики разбегаются и следовательно вселенная расширяется.
Никаких прямых доказательств того, что галактики разбегаются, в физике в настоящий момент нет. Никто не измерял напрямую расстояния до галактик и не обнаружил, что за некоторый интервал времени они выросли. Таким образом, факт разбегания галактик физикой в настоящий момент не установлен. Это всего лишь не доказанные предположения, основанные на наличии красного смещения в спектрах галактик и толковании его в пользу эффекта Доплера. Таким образом «теория Большого взрыва» продолжает оставаться недоказанной гипотезой.
Красное смещение и расширение Вселенной
Красное смещение, вызванное эффектом Доплера, если оно имеет место в природе, должно вызвать расширение космического пространства в масштабах всей Вселенной. Считается, что такое расширение Вселенной должно быть почти однородным и изотропным (расширение происходит почти равномерно в каждой точке Вселенной).
Утверждается, что экспериментально расширение Вселенной наблюдается в виде выполнения закона Хаббла. Предполагается, что началом расширения Вселенной является так называемый «Большой взрыв». Теоретически явление было предсказано и обосновано А. Фридманом на раннем этапе разработки общей теорией относительности.
Горунович В.А. Роль нейтрино в красном смещении и в микроволновом фоновом космическом излучении
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов