Красное смещение
-
История красного смещения
- Красное смещение — это увеличение длины волны и уменьшение частоты и энергии фотонов.
- Противоположное изменение — синее смещение.
- Основные причины: относительные движения источников и гравитационные потенциалы.
-
История открытия
- Эффект Доплера был предложен Кристианом Доплером в 1842 году.
- Ипполит Физо подтвердил эффект в 1848 году.
- Уильям Хаггинс определил скорость удаления звезды в 1868 году.
- Весто Слайфер обнаружил значительные красные смещения у спиральных галактик в 1912 году.
-
Измерение и интерпретация
- Красное смещение измеряется по спектральным линиям.
- Для расчета требуется диапазон частот или длин волн.
- Красное смещение не может быть вычислено для неопознанных объектов или белого шума.
-
Космологическое красное смещение
- Все удаленные источники света демонстрируют космологическое красное смещение.
- Закон Хаббла связывает красное смещение с расстоянием до объекта.
- Красное смещение подтверждает расширяющуюся Вселенную и теорию Большого взрыва.
-
Обозначение и измерение красного смещения
- Красное смещение обозначается как z и определяется как изменение длины волны или частоты.
- Различие между красным и синим смещениями зависит от знака z.
-
Эффект Доплера
- Красное смещение возникает при удалении объекта от наблюдателя.
- Синее смещение возникает при приближении объекта к наблюдателю.
- Релятивистский эффект Доплера учитывает замедление времени и зависит от скорости объекта.
-
Расширение пространства
- Космологическое красное смещение связано с удалением объектов в расширяющейся Вселенной.
- Красное смещение можно связать с возрастом объекта через соотношение космического времени и красного смещения.
-
Различие между космологическими и локальными эффектами
- При малых космологических красных смещениях доплеровские эффекты могут вносить значительные отклонения.
- Космологическое красное смещение зависит от скорости расширения Вселенной, а доплеровское смещение зависит от локальной скорости.
-
Гравитационное красное смещение
- Гравитационное красное смещение возникает из-за замедления времени в гравитационном поле.
- Эффект мал, но может быть измерен на Земле и вблизи черных дыр.
-
Наблюдения в астрономии
- Красное смещение в астрономии измеряется по спектрам излучения и поглощения атомов.
-
Красное смещение и его причины
- Красное смещение различных линий поглощения и излучения от одного объекта удивительно постоянно.
- Удаленные объекты могут быть размытыми, но это объясняется тепловым или механическим движением источника.
- Наблюдаемые красные смещения обусловлены комбинацией трех форм допплеровских красных смещений.
-
Методы измерения красного смещения
- Спектроскопия сложнее фотометрии, но фотометрия позволяет качественно охарактеризовать красное смещение.
- Фотометрические измерения могут иметь погрешности до δz = 0,5.
-
Местные наблюдения
- Красные смещения у близлежащих объектов связаны со скоростями прямой видимости.
- Измерения красных смещений позволяют диагностировать планетные системы и проводить дифференциальные измерения.
- Красные смещения используются в гелиосейсмологии и для измерения скоростей вращения планет и галактик.
-
Внегалактические наблюдения
- Самые удаленные объекты демонстрируют большие красные смещения, соответствующие хаббловскому потоку Вселенной.
- Красное смещение пропорционально расстоянию до галактики, что известно как закон Хаббла.
- Гравитационные взаимодействия галактик вызывают разброс в диаграмме Хаббла.
-
Самые высокие красные смещения
- Объекты с наибольшим известным красным смещением включают галактики и гамма-всплески.
- Наиболее подтвержденное красное смещение галактики составляет z = 14,32.
- Чрезвычайно красные объекты (ERO) и сверхэкстремально красные объекты (HEROs) также имеют высокие красные смещения.
-
Космический микроволновый фон и будущие наблюдения
- Космический микроволновый фон имеет красное смещение z = 1089.
- Первый свет от старейших звезд популяции III может иметь красные смещения в диапазоне 20 < z < 100.
- Предсказаны фон космических нейтрино и фон космических гравитационных волн с высокими красными смещениями.
-
Исследования красного смещения
- Автоматизированные телескопы и спектроскопия позволяют составлять карты Вселенной в пространстве красного смещения.
- Программа redshift survey отображает трехмерное распределение вещества в небе.
- Исследования красного смещения используются для измерения свойств крупномасштабной структуры Вселенной.
-
Примеры исследований
- CfA Redshift Survey (1977-1982)
- 2dF Galaxy Redshift Survey (2002)
- Sloan Digital Sky Survey (SDSS, с 2013)
- DEEP2 (с 2019)
-
Эффекты физической оптики
- Взаимодействия и явления могут приводить к изменению длины волны и частоты излучения.
- Рассеяние приводит к покраснению излучения, так как энтропия приводит к преобладанию низкоэнергетических фотонов.
- Межзвездное покраснение отличается от красного смещения тем, что спектроскопические линии не смещены.
-
Синее смещение
- Синее смещение — это уменьшение длины волны и увеличение частоты.
- Доплеровское синее смещение вызвано движением источника к наблюдателю.
- Гравитационное синее смещение не зависит от угла приема фотона и вносит вклад в анизотропию CMB.
-
Космологическое синее смещение
- В гипотетической Вселенной, подвергающейся сжатию, наблюдалось бы космологическое синее смещение.
- Удаленные галактики смещались бы в синюю сторону.