Что такое красное смещение и синее смещение?

спектр видимого света, красное смещение, синее смещение, красное смещение, синее смещение

Спектр видимого света. (Изображение предоставлено НАСА.)

Красное смещение и синее смещение описывают, как свет смещается в сторону более коротких или длинных волн по мере того, как объекты в космосе (например, звезды или галактики) перемещаются ближе или дальше от нас. Эта концепция является ключом к построению карты расширения Вселенной.



Видимый свет - это спектр цветов, понятный любому, кто смотрел на радугу. Когда объект удаляется от нас, свет смещается в красный конец спектра, так как его длины волн становятся длиннее. Если объект приближается, свет перемещается к синему концу спектра, так как его длины волн становятся короче.

Европейское космическое агентство предлагает подумать об этом более четко: представьте, что вы слушаете полицейскую сирену, когда машина проезжает мимо вас по дороге.

«Все слышали усиление тона приближающейся полицейской сирены и резкое уменьшение тона по мере того, как сирена проходит и отступает. Эффект возникает из-за того, что звуковые волны приближаются к уху слушателя ближе друг к другу по мере приближения источника и дальше друг от друга по мере его удаления ». ЕКА написала .

Звук и свет

Этот звуковой эффект был впервые описан Кристианом Андреасом Допплером в 1800-х годах и называется эффектом Доплера. Поскольку свет также излучается в длинах волн, это означает, что длины волн могут растягиваться или сжиматься вместе в зависимости от относительного положения объектов. Тем не менее, мы не замечаем этого в масштабе повседневной жизни, потому что свет распространяется намного быстрее, чем скорость звука - в миллион раз быстрее, отметило ЕКА.

Американский астроном Эдвин хаббл (в честь которого назван космический телескоп Хаббла) был первым, кто описал явление красного смещения и связал его с расширяющейся Вселенной. Его наблюдения, сделанные в 1929 году, показали, что почти все наблюдаемые им галактики удаляются, НАСА сказал .

«Это явление наблюдалось как красное смещение спектра галактики», - написало НАСА. «Это красное смещение оказалось больше для слабых, предположительно более удаленных, галактик. Следовательно, чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от Земли ».

Галактики удаляются от Земли, потому что сама ткань космоса расширяется. Пока сами галактики находятся в движении - Галактика Андромеды и Млечный Путь, например, идут на встречу - по мере того, как Вселенная становится больше, происходит общий феномен красного смещения.

Термины 'красное смещение' и 'синее смещение' применимы к любой части электромагнитный спектр , включая радиоволны, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Итак, если радиоволны смещены в ультрафиолетовую часть спектра, они, как говорят, смещены в синий цвет или смещены в сторону более высоких частот. Гамма-лучи, переходящие в радиоволны, означают переход на более низкую частоту или красное смещение.

Красное смещение объекта измеряется путем изучения линий поглощения или излучения в его спектре. Эти линии уникальны для каждого элемента и всегда имеют одинаковый интервал. Когда объект в космосе движется к нам или от нас, линии могут быть обнаружены на разных длинах волн, нежели там, где они были бы, если бы объект не двигался (относительно нас). [ Связанный: Сделайте свой собственный спектроскоп ]

Красное смещение определяется как изменение длины волны света, деленное на длину волны, которую свет имел бы, если бы источник не двигался, - это называется остальной длиной волны:

Три типа красного смещения

Во Вселенной происходит по крайней мере три типа красного смещения - от расширения Вселенной, от движения галактик друг относительно друга и от `` гравитационного красного смещения '', которое происходит, когда свет смещается из-за огромного количества вещества внутри галактики.

Последнее красное смещение является самым тонким из трех, но в 2011 году ученые смогли идентифицировать его в масштабе вселенной. Астрономы провели статистический анализ большого каталога, известного как Sloan Digital Sky Survey, и обнаружили, что гравитационное красное смещение действительно происходит - в точном соответствии с общей теорией относительности Эйнштейна. Эта работа была опубликована в газете Nature.

«У нас есть независимые измерения масс скоплений, поэтому мы можем рассчитать ожидаемое гравитационное красное смещение на основе общей теории относительности», - сказал в то время астрофизик из Копенгагенского университета Радек Войтак. «Это точно согласуется с измерениями этого эффекта».

Первое обнаружение гравитационного красного смещения произошло в 1959 году после того, как ученые обнаружили его в гамма-лучах, исходящих из земной лаборатории. До 2011 года он также был обнаружен на Солнце и в близлежащих белых карликах или мертвых звездах, которые остались после того, как звезды размером с Солнце прекратили ядерный синтез в конце своей жизни.

Известные применения красного смещения

Красное смещение помогает астрономам сравнивать расстояния до далеких объектов. В 2011 году ученые объявили, что они видели самый далекий объект из когда-либо виденных - гамма-всплеск под названием GRB 090429B, исходящий от взрывающейся звезды. В то время, по оценкам ученых, взрыв произошел 13,14 миллиарда лет назад. Для сравнения, Большой взрыв произошел 13,8 миллиарда лет назад.

Самая далекая из известных галактик - GN-z11. В 2016 году космический телескоп Хаббла определил, что он существовал всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва . Ученые измерили красное смещение GN-z11, чтобы увидеть, насколько сильно на его свет повлияло расширение Вселенной. Красное смещение GN-z11 составило 11,1, что намного выше следующего по величине красного смещения 8,68, измеренного для галактики EGSY8p7.

Ученые могут использовать красное смещение, чтобы измерить, как устроена Вселенная в крупном масштабе. Одним из примеров этого является Великая китайская стена Геркулеса и северной короны; свету требуется около 10 миллиардов лет, чтобы пройти через структуру. Sloan Digital Sky Survey - это продолжающийся проект по измерению красных смещений, который пытается измерить красные смещения нескольких миллионов объектов. Первым исследованием красного смещения было исследование CfA RedShift Survey, которое завершило свой первый сбор данных в 1982 году.

Одна из новых областей исследований касается того, как извлечь информацию о красном смещении из гравитационных волн, которые представляют собой возмущения в пространстве-времени, возникающие при ускорении или возмущении массивного тела. (Эйнштейн впервые предположил существование гравитационных волн в 1916 году, а обсерватория гравитационных волн с лазерным интерферометром (LIGO) впервые обнаружил их непосредственно в 2016 году ). Поскольку гравитационные волны несут сигнал, показывающий их массу в красном смещении, извлечение из этого красного смещения требует некоторых вычислений и оценок, согласно статье 2014 года. в рецензируемом журнале Physical Review X .

Примечание редактора: Эта статья была обновлена ​​7 августа 2019 г., чтобы отразить исправление. Радиоволны, смещенные в ультрафиолетовую часть спектра, смещены в синюю, а не в красную сторону.