Красные смещения доплера. Феномен красного смещения

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Увеличение длин волн (l) линий в эл.-магн. спектре источника (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. Количественно К. с. характеризуется величиной z=(lприн-lисп)/lисп, где lисп и lприн - соответственно излучения, испущенного источником и принятого наблюдателем (приёмником излучения). Два механизма приводят к появлению К. с.

К. с., обусловленное эффектом Доплера, возникает в том случае, когда источника света относительно наблюдателя приводит к увеличению расстояния между ними (см. ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ). В релятив. случае, когда движения источника v относительно приёмника сравнима со скоростью света (с), К. с. может возникнуть и в том случае, если расстояние между источником и приёмником не возрастает (т. н. поперечный эффект Доплера). К. с., возникающее при этом, можно интерпретировать как результат релятив. замедления времени на источнике по отношению к наблюдателю (см. ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ТЕОРИЯ). Космологич. К. с., наблюдаемое у далёких галактик и квазаров, интерпретируется на основе общей теории относительности (ОТО) как эффект расширения Метагалактики (взаимного удаления галактик друг от друга; (см. КОСМОЛОГИЯ)). Расширение Метагалактики приводит к увеличению длин волн реликтового излучения и снижению энергии его квантов (т. е. к охлаждению реликтового излучения).

Гравитац. К. с. возникает, когда приёмник света находится в области с меньшим гравитац. потенциалом (fi2), чем источник (fi1). В этом случае К. с.- следствие замедления темпа времени вблизи гравитирующей массы и уменьшения частоты испускаемых квантов света (эффект ОТО): n=(1+(fi2-fi1)/c2) , Примером гравитац. К. с. может служить смещение линии в спектрах плотных звёзд - белых карликов. Используя Мёссбауэра, эффект, в 1959 удалось измерить К. с. в гравитац. Земли.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ

Увеличение длины монохроматич. компонента спектра источника излучения в системе отсчёта наблюдателя по сравнению с длиной волны этого компонента в собств. системе отсчёта . Термин "К. с." возник при изучении спектральных линий оптич. диапазона, смещённых в сторону длинноволнового (красного) конца спектра. Причиной К. с. может явиться движение источника относительно наблюдателя - Доплера эффект или (и) отличие напряжённости поля тяготения в точках испускания и регистрации излучения - гравитационное К. с. В обоих случаях параметр смещения не зависит от длины волны, так что плотность распределения энергии излучения f 0 () связана с аналогичной плотностью в собств. системе отсчёта f e (). соотношением

Доплеровское смещение длины волны в спектре источника, движущегося с лучевой скоростью и полной скоростью , равно

Для чисто радиального движения красному смещению (z D >>0) отвечает увеличение расстояния до источника (>0), однако при отличной от нуля тангенциальной составляющей скорости значения Z D >O могут наблюдаться и при <0.

Гравитац. К. с. было предсказано А. Эйнштейном (A. Einstein, 1911) при разработке общей теории относительности (ОТО). В линейном относительно ньютоновского потенциала приближении (см. Всемирного тяготения закон) , где соответственно значения гравитац. потенциала в точках испускания и регистрации излучения (z g >0 в том случае, когда в точке испускания по модулю больше). Для массивных компактных объектов с сильным полем тяготения (напр., нейтронных звёзд и чёрных дыр )следует пользоваться точными ф-лами. В частности, гравитац. К. с. в спектре сферич. тела массой М и радиусом (r g - гравитационный радиус, G - гравитационная постоянная )определяется выражением

Первоначально для эксперим. проверки эффекта Эйнштейна исследовались спектры Солнца и других астр. объектов. Для Солнца z g 2*10 -6 , что слишком мало для надёжного измерения эффекта, однако в спектрах белых карликов (r 10 3 -10 4 км, r g 1-3 км, z g 10 -4 - 10 -5) эффект был обнаружен. В 1960 Р. Паунд (R. Pound) и Г. Ребка (G. Rebka), используя Мёссбауэра эффект, измерили гравитац. К. с. при распространении гамма-излучения в земных условиях (z g 10 -15).

Представление о космологич. К. с. возникло в результате работ (1910-29) В. Слайфера (V. Slipher), К. Вирца (К. Wirtz), К. Лундмарка (К. Lundmark) и Э. Хаббла (Е. Hubble). Последний в 1929 установил т. н. Хаббла закон - приблизительно линейную зависимость z,. от расстояния D до далёких галактик и их скоплений: z c (H 0 /c)D, где H 0 - т. н. параметр Хаббла [совр. оценка Н 0 75 км/(с*Мпк) с неопределённостью до множителя 1,5].

Космологич. К. с. связано с общим расширением Вселенной и обусловлено совместным действием эффектов Доплера и Эйнштейна (для относительно близких галактик, при D <10 3 Мпк, осп. роль играет эффект Доплера). В спектрах галактик зарегистрировано макс. значение z c 3, в спектрах квазаров z c 4,5(1988). В 1965 А. Пензиас (A. Penzias) и Р. Вильсон (R. Wilson) обнаружили микроволновое фоновое с темп-рой 2,7 К, интерпретируемое как реликт ранней стадии расширения Вселенной. Для реликтового излучения z c 1500.

Эффект К. с. в спектрах далёких галактик (эффект "разбегания" галактик) получил объяснение в рамках нестационарной космологической модели, основанной на ОТО (А. А. Фридман, 1922). Для нестационарной изотропной и однородной Вселенной (см. Космология )величина z c связана с масштабным фактором R (t )в испускания t e и регистрации t 0 света соотношением

Расширению Вселенной отвечает здесь z c >0. Закон Хаббла рассматривается как линейное к последнему соотношению с . Конкретный вид ф-ции R (t )определяется ур-ниями гравитац. Поля Ото. В. Ю. Теребиж.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ" в других словарях:

Красное смещение сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может быть выражением эффекта Доплера или гравитационного красного смещения, или их комбинацией. Сдвиг спектра … Википедия

Современная энциклопедия

Увеличение длин волн линий в спектре источника излучения (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и его приемником… … Большой Энциклопедический словарь

Красное смещение - КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ, увеличение длин волн линий в спектре источника излучения (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. Красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (обозначение z), увеличение длины волны видимого света или в другом диапазоне ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, вызванное либо удалением источника (эффект ДОПЛЕРА), либо расширением Вселенной (см. РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ). Определяется как изменение… … Научно-технический энциклопедический словарь

Увеличение длин волн линий в спектре источника излучения (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. Красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и его приёмником… … Энциклопедический словарь

Увеличение длин волн линий в спектре источника излучения (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. Красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и его приемником… … Астрономический словарь

Что, по вашему мнению, означает термин Расширение Вселенной, в чем суть данного явления.

Как вы догадались, основа лежит в понятии красного смещения. Оно обрело свои очертания ещё в 1870 году, когда было замечено английским математиком и философом Уильямом Клиффордом. Он пришел к выводу, что пространство неодинаково в разных точках, то есть искривлено, а также то, что оно со временем может изменяться. Расстояние между галактиками увеличивается, но координаты остаются прежними. Также его допущения сводились к тому, что это явление каким-то образом относиться к сдвигу материи. Выводы Клиффорда не остались не замеченными и спустя некоторое время легли в основу труда Альберта Эйнштейна под названием « «.

Первые обоснованные идеи

Впервые же точные сведения о расширении Вселенной были представлены с помощью астроспектрографии. Когда в Англии, в 1886 году, астрономом-любителем Уильямом Хаггинсом было отмечено, что длины волн звёздного света сдвинуты в сравнении с такими же земными волнами. Такое измерение стало возможным при использовании оптической интерпретации эффекта Доплера, суть которого в том, что скорость звуковых волн постоянна в однородной среде и зависит лишь от свойств самой среды, в таком случае можно вычислить величину вращения звезды. Все эти действия позволяют нам негласно определить движение космического объекта.

Практика измерения скоростей

Буквально через 26 лет в Флагстаффе (США, Аризона) член национальной академии наук Весто Слайфер, изучая спектр спиральных туманностей через телескоп со спектрографом, первым обозначил разности скоростей скоплений, то есть Галактик, по интегральным спектрам. Учитывая, что скорость изучения была мала, ему все-таки удалось рассчитать, что туманность с каждой секундой на 300 км ближе к нашей планете. Уже в 1917 году им было доказано красное смещение более чем 25 туманностей, в направлении которых проглядывалась значительная асимметрия. Лишь четыре из них шли к направлению Земли, остальные же отдалялись, причем с довольно внушающей скоростью.

Формирование закона

Спустя десятилетие известный астроном Эдвин Хаббл доказал, что у дальних галактик красное смещение больше чем у более близко расположенных, и что оно растет пропорционально расстоянию до них. Им также была получена постоянная величина, называемая постоянной Хаббла, которая используется для нахождения лучевых скоростей любых галактик. Закон Хаббла как никто связывает красное смещение электромагнитных квантов. Учитывая это явление, он представлен не только в классической, но и в квантовой форме.

Популярные способы нахождения

На сегодня одним из основополагающих способов нахождения межгалактических расстояний это метод «стандартной свечи», суть которого в ослаблении потока обратно пропорционально квадрату его расстояния. Эдвин обычно пользовался цефеидами (переменными звездами) яркость коих тем больше чем больше их периодичность изменения свечения. Ими пользуются и в данный момент, хотя и видны они лишь на расстоянии меньше 100 млн. св. лет. Так же большим успехом пользуются сверхновые типа la характеризуемые одинаковым свечением около 10 млрд. таких звезд как наше Солнце.

Последние прорывы

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ, увеличение длин волн (уменьшение частот) электромагнитного излучения источника, проявляющееся в сдвиге спектральных линий или других деталей спектра в сторону красного (длинноволнового) конца спектра. Оценку красного смещения обычно производят, измеряя смещение положения линий в спектре наблюдаемого объекта относительно спектральных линий эталонного источника с известными длинами волн. Количественно красное смещение измеряется величиной относительного увеличения длин волн:

Z = (λ прин -λ исп)/λ исп,

где λ прин и λ исп - соответственно длины принимаемой волны и волны, испущенной источником.

Выделяют две возможные причины красного смещения. Оно может быть обусловлено Доплера эффектом, когда наблюдаемый источник излучения удаляется. Если при этом z « 1, то скорость удаления ν = cz, где с - скорость света. Если расстояние до источника сокращается, наблюдается смещение противоположного знака (так называемое фиолетовое смещение). Для объектов нашей Галактики как красное, так и фиолетовое смещение не превышает z= 10 -3 . В случае больших скоростей движения, сопоставимых со скоростью света, красное смещение возникает вследствие релятивистских эффектов даже в том случае, если скорость источника направлена поперёк луча зрения (поперечный эффект Доплера).

Частным случаем доплеровского красного смещения является космологическое красное смещение, наблюдаемое в спектрах галактик. Впервые космологические красное смещение обнаружено В. Слайфером в 1912-14. Оно возникает вследствие увеличения расстояний между галактиками, обусловленного расширением Вселенной, и в среднем линейно растёт с увеличением расстояний до галактики (Хаббла закон). При не слишком больших значениях красного смещения (z < 1) закон Хаббла обычно используется для оценки расстояний до внегалактических объектов. Наиболее далёкие наблюдаемые объекты (галактики, квазары) имеют красные смещения, существенно превышающие z = 1. Известно несколько объектов с z > 6. При таких величинах z излучение, испущенное источником в видимой области спектра, принимается в ИК-области. В силу конечности скорости света объекты с большими космологическими красными смещениями наблюдаются такими, какими они были миллиарды лет назад, в эпоху их молодости.

Гравитационное красное смещение возникает, когда приёмник света находится в области с меньшим гравитационным потенциалом φ, чем источник. В классической интерпретации этого эффекта фотоны теряют часть энергии на преодоление сил гравитации. В результате частота, характеризующая энергию фотона, уменьшается, а длина волны соответственно возрастает. Для слабых гравитационных полей значение гравитационного красного смещения равно z g = Δφ/с 2 , где Δφ - разность гравитационных потенциалов источника и приёмника. Отсюда следует, что для сферически-симметричных тел z g = GM/Rc 2 , где М и R - масса и радиус излучающего тела, G - гравитационная постоянная. Более точная (релятивистская) формула для невращающихся сферических тел имеет вид:

z g =(1 -2GM/Rc 2) -1/2 - 1.

Гравитационное красное смещение наблюдается в спектрах плотных звёзд (белых карликов); для них z g ≤10 -3 . Гравитационное красное смещение было обнаружено в спектре белого карлика Сириус В в 1925 (У. Адамс, США). Наиболее сильным гравитационным красным смещением должно обладать излучение внутренних областей аккреционных дисков вокруг чёрных дыр.

Важным свойством красного смещения любого типа (доплеровского, космологического, гравитационного) является отсутствие зависимости величины z от длины волны. Этот вывод подтверждается экспериментально: для одного и того же источника излучения спектральные линии в оптическом, радио и рентгеновском диапазонах имеют одинаковое красное смещение.

Лит.: Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. Фрязино, 2006.

Красное смещение спектральных линий в оптическом спектре суперкластера далёких галактик (BAS11) (справа), по сравнению с Солнцем (слева).

Красное смещение - сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может происходить из-за эффекта Доплера, или эффектов общей теории относительности: гравитационное и космологическое красного смещения. Красное смещению может также являться следствием сразу несколько указанных выше причин. Сдвиг спектральных линий в фиолетовую (коротковолновую) сторону называется фиолетовым смещением.

Каждый химический элемент поглощает или излучает электромагнитные волны на строго определённых частотах. Поэтому, каждый химический элемент образует в спектре неповторимую картину из линий, используемую в спектральном анализе. В результате эффекта Доплера и/или эффектов общей теории относительности, частота излучения от удалённых объектов, например, звёзд, может изменяться (понижаться или повышаться), а линии соответственно будут смещаться в красную (длинноволновую) или синюю (коротковолновую) часть спектра, сохраняя, однако, своё неповторимое относительное расположение. Смещение линий в красную сторону (обусловленное удалением объекта) и называется "красным смещением".

Новая интерпретация

В работе "Новая интерпретация красного смещения" ("A New Redshift Interpretation,") Роберт Джентри () предложил интерпретацию галактического красного смещения как комбинацию эффекта Доплера и гравитационного красного смещения.

Новая Интерпретация Красного смещения (НИК) объясняет красное смещение галактики как комбинацию Доплеровского и гравитационного красного смещения. Согласно данной космологии (CBR) это гравитационное красное смещение раскалённого водорода с границы уровня при температуре 5400 по Kельвину. Он считает, что эта граница уровня в действительности состоит из тонкой оболочки над свёртывающимися галактиками.

Ограниченная вселенная

Как и космология Белой дыры , NRI использует понятие ограниченной вселенной. В то время как это противоречивые космпологии, понятно что они могут быть скомбинированы, поскольку в случае с Dark energy была добавлена к начальным условиям космологии Белой Дыры и результат похож на NRI.

NRI has an outward gravitational force, that says is caused by vacuum pressure/energy. This is effectively the same as Dark energy and in NRI, Dark energy can be substituted for vacuum pressure/energy. In any case the formula for this cosmic gravitational red shift is:

• G = гравитационная постоянная
• H = постоянная Хаббла
• r = радиус от центра
• c = скорость света
• z +1 = гравитационное красное смещение

Когда добавляется стандартное Доплеровское красное смещение галактики, получаем:

• z = изменение в наблюдаемом красном смещении

• Hubble relationship