Красное смещение настолько важно для нашего понимания Вселенной, что космологи используют его, а не световые годы, для измерения расстояний до далеких галактик – но что это такое?
В 1929 г. Эдвин Хаббл заметил, что далекие галактики выглядят более красными, чем близкие. Более того, чем дальше они находятся, тем краснее выглядят. Это наблюдение, известное как красное смещение, позволило нам измерить расстояния до галактик, слишком удаленных, чтобы определить их другими способами. Также было обнаружено, что Вселенная расширяется, и все ее компоненты разлетаются друг от друга, если только они не находятся достаточно близко, чтобы гравитация удерживала их вместе.
Эта связь настолько встроена в космологию, что в статьях, посвященных ей, в том числе и в нашей, иногда пропускается ее объяснение, поэтому данная статья призвана восполнить этот пробел.
Если мимо вас когда-нибудь проезжал мотоцикл или машина скорой помощи, то вы, вероятно, знаете, как меняется высота звука: по мере приближения он становится выше, а по мере удаления – ниже. Это явление известно как доплеровский сдвиг, по имени Кристиана Доплера, который обнаружил его, когда транспорт начал ездить достаточно быстро, чтобы это стало заметным.
Сдвиг происходит потому, что транспортные средства движутся со скоростью, значительно меньшей скорости звука. По мере их приближения к нам звуковые волны “сбиваются в пучки”, что приводит к уменьшению длины волны, а значит, к повышению тональности. Когда источник удаляется, звуковые волны расходятся, создавая более низкий тон, чем если бы они исходили от чего-то неподвижного.
Свет также распространяется волнами, причем красный свет имеет большую длину волны, чем синий. При приближении происходит такое же сгущение, а при удалении – распространение. Когда волны расходятся, их называют “красными”. Однако, поскольку свет в вакууме распространяется почти в миллион раз быстрее, чем звук в воздухе, необходимо, чтобы источник двигался очень быстро, чтобы смещение стало заметным.
Вот почему, несмотря на шутливую наклейку физиков на бампере: “Если эта наклейка выглядит синей, значит, вы едете слишком быстро”, мы слышим, но не видим эффект Доплера в повседневной жизни.
Масштабирование Вселенной
Хаббл заметил красное смещение, потому что некоторые галактики, которые он изучал, удалялись от нас очень быстро – не близко к скорости света, но достаточно, чтобы вызвать заметное сгущение.
К счастью, для измерения красного (или синего) смещения астрономам не обязательно смотреть на объект и спрашивать: “Вам не кажется, что он немного розовый?”. При нагревании объекты испускают широкий спектр электромагнитного излучения. Однако, когда они нагреваются до состояния газов, излучение становится более интенсивным на определенных длинах волн, характерных для элементов, входящих в их состав.
Некоторые из них, например оранжевые двойные линии, создаваемые натрием, легко распознать, даже если они смещены на существенно иные длины волн. Если мы обнаружим эту пару на желтых длинах волн, мы знаем, что источник движется в нашу сторону. Если они находятся в красном диапазоне, то источник удаляется. Если они находятся в инфракрасном диапазоне, то он удаляется быстро.
За пределами нашего локального участка Вселенной расстояния до галактик измеряются по степени красного смещения их света, обозначаемого буквой z. Хотя это измерение скорости, а не расстояния, в масштабе всей Вселенной эти две величины настолько хорошо коррелируют, что красное смещение становится наиболее надежным показателем.
Множество других применений
Измерение Вселенной – это очень большое дело (технически самое большое дело из всех существующих), но это не единственный способ, с помощью которого красное смещение изменило астрономию, хотя в других случаях оно нуждается в некоторой помощи синего смещения.
Мы измеряем скорость вращения галактик и аккреционных дисков вокруг черных дыр, в том числе, путем обнаружения красного смещения на стороне, поворачивающейся от нас, и синего – на стороне, движущейся к нам. Если весь объект также движется относительно нас, например, удаляющаяся галактика, то мы можем наблюдать красное смещение с обеих сторон. Однако смещение будет больше там, где эти движения сочетаются, чем там, где они противодействуют друг другу.
Особенно важным приложением является поиск экзопланет (планет, вращающихся вокруг других звезд). За редким исключением, свет от них настолько подавляется самой звездой, что мы не можем увидеть их напрямую с помощью существующего оборудования, поэтому приходится прибегать к творческому подходу.
Один из способов сделать это – наблюдать, как звезды слегка смещаются по регулярным циклам без видимых причин. Это говорит о том, что на них действует гравитационная сила невидимого нами объекта, а это почти всегда планеты. Измерив величину движения и период, в течение которого смещение повторяется, можно определить массу планеты и ее орбиту.
Можно было бы подумать, что проще всего отслеживать движение звезды из стороны в сторону с нашей точки наблюдения, но это не так. Вместо этого мы можем добиться гораздо большей точности, следя за движением звезды по направлению к нам и от нас, обнаруживаемым по очень незначительным чередованиям красных и синих смещений.
До запуска спутника “Кеплер” этот метод “доплеровских колебаний” был основным способом обнаружения экзопланет. Но и сегодня, когда “Кеплер” и TESS, наблюдая за транзитами, выявили тысячи экзопланет-кандидатов, для подтверждения подозрений и определения их массы все так же используются красные и синие смещения.
Читайте также: Таинственный барьер вблизи центра Галактики