чем объясняется смещение красное смещение в спектрах галактик
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.
Эффект красного смещения галактик (Закон Хаббла)
Гравитационное красное смещение
Американский астроном Эдвин Хаббл совершил одно из своих величайших открытий совершенно случайно. В 1929 году, работая на 100-дюймовом хейловском телескопе и измеряя спектральные свойства галактик У. Гершеля, он отметил одну любопытную закономерность.
Сами галактики вроде бы были во многом схожи по строению с нашим Млечным путем, но вот спектры ярчайших звезд из этих далеких галактик, заметно отличались от спектров “местных звезд нашей галактики. Все они были характерно “сдвинуты” в более длинноволновую, или красную сторону спектра. Эффект сразу же получил вполне говорящее название – эффект красного смещения.
Вот так и выглядит красное смещение – с Земли мы видим не реальный спектр далекой звезды, а его же, но сдвинутым в красную сторону
Любопытно было также и то, что в пределах одной галактики, красное смещение звезд было как правило примерно одинаковым, но вот для разных галактик оно заметно отличалось.
Вскоре Э.Хабблу удалось установить закономерность: величина красного смещения прямо пропорциональна расстоянию до галактики.
Иными словами – чем больше эффект красного смещения, тем дальше от нас находится наблюдаемая галактика. Развивая эту идею, Эдвин Хаббл пришел к тому, что сейчас нам известно как закон Хаббла, выражающийся формулой:
где: c – скорость света, z – величина красного смещения, r – расстояние до галактики, а H – постоянная Хаббла (70 (км/с) · Мпк−1.).
Интересно, что закон Хаббла можно подвергнуть довольно занятной проверке – зная, что все пространство “в начале времен” было сжато в одну точку и оценив величину красного смещения для самых удаленных объектов, можно было бы рассчитать теоретический возраст нашей вселенной (т.н. Хаббловский возраст вселенной).
Хаббловский возраст вселенной в итоге почти точно соответствует “стандартному возрасту” вселенной, рассчитываемому по космологической модели Фридмана.
Почему появляется красное смещение
Почему же появляется эффект красного смещения? Корни этого явления стоит искать именно в непрерывном расширении вселенной. Известно, что при удалении источника любых колебаний от наблюдателя, их частота уменьшается из-за эффекта Доплера (в простейшем виде это можно представить так – вы стоите на одном месте, а звук двигателей пролетающего над вами самолета слабеет и меняет тон в зависимости от того насколько далеко он улетел).
Объект удаляется от нас – мы видим красное смещение, объект приближается – мы видим синее смещение
С красным смещением картина хоть и выглядит несколько масштабнее, но эффект имеет тот же самый – частота испускаемого звездой света (впрочем, вообще любых волн) меняется по мере удаления от массивных космических объектов (звезд и т.п.). В наблюдениях красное смещение хорошо заметно как сдвиг спектральных линий в излучении источников, близких к массивным телам, в красную область спектра.
Интересно, что у красного смещения есть и противоположность – гравитационное синее смещение. Смещение в синий край спектра приобретает свет приходящий из областей с более слабым гравитационным полем, иными словами – если источник света не удаляется от нас (как “разбегающиеся” галактики), а напротив – приближается с достаточной скоростью, его свечение смещается к синему краю спектра.
Красное смещение или иллюзия Большого.
Красное смещение или иллюзия Большого взрыва
Ни по одной теме физики нет такого количества материалов, как по теме Большого взрыва. Обилие материалов уживается с их противоречивостью. Честно сказать, боялся касаться этой темы. Не знал – с какого краю к ней подступиться. Но понимал, что «трогать за вымя гражданина Корейко» рано или поздно придётся. Тема Большого взрыва соприкасается с самым таинственным, самым сакральным явлением – сотворением нашего мира. Или не было акта творения, и мир существовал всегда в том виде, в котором видим сегодня? Никто на этот вопрос ответить однозначно не сможет. Для значительной части учёных факт Большого взрыва не вызывает сомнений. Но есть учёные, вполне авторитетные и заслуженные, которые опровергают факт Большого взрыва, мол, можно обойтись и без него. Даже христианская церковь смирилась с идеей Большого взрыва, как с Божественным актом моментального творения всего из ничего. Но это от отчаяния. Разум же не может смириться с подобным фокусом Создателя. Физический мир материален, в нём работают законы, существует причинность. К сожалению, я не владею языком математики. Мне нужно попытаться изложить свои мысли обычным языком, но так, чтобы стать убедительным. И чтобы потом эти мысли можно было бы проверить математикой. Простите за банальность, но в науке физике сначала должна идти физика, а уж потом – математика, как проверка и подтверждение.
Задолго до открытия Эдвина Хаббла, на свет появилась Общая теория относительности Альберта Эйнштейна (1915 г.), новая теория гравитации. В теории автор выводит ряд уравнений, требующих своего нетривиального (оригинального) решения. В 1922 году российский математик Александр Фридман нашел несколько решений уравнений, показывающих, что в любом случае плотность материи вселенной не может быть статичной: материя либо расширяется по радиусу вселенной, либо сжимается, либо пульсирует (сжимается и расширяется по радиусу вселенной). До Общей теории относительности у Эйнштейна в 1905 году появилась Специальная теория относительности, где автор отбрасывает представления о материальном эфире и оставляет в качестве материи лишь электроны, движущиеся относительно друг друга, и ими излучаемый свет. Всё! Представление о протонах появится лишь в 1919 году. Вот с таким ничтожно малым набором физических ингредиентов Эйнштейн взялся за решение проблемы гравитации. Что оставалось делать? Толковать гравитацию не как силу взаимодействия материальных объектов (единой среды, тел), а как кривизну пространства-времени. Появилась достаточно логичная, стройная теория, сугубо математическая, но где в математику удалось внедрить физические реалии в виде тензора энергии-импульса, подразумевающую массу, которая и «искривляет» пространство-время. Получился невероятный симбиоз математики и физики, который до сих пор не могут переварить даже сами учёные. Они не понимают здесь смысла, хотя теория странным образом работает, даёт результаты!
Попробуем коротко разобраться со смыслом. Где пространство соединяется со временем – там кончается математика и начинается физика. Потому что симбиоз пространства и времени есть динамика, движение, и только движение, ничего другого! Двигаться в физике может только материальный объект (частица, тело) или среда (совокупность частиц, поле). Всякое движение есть энергия. Энергия не берётся ниоткуда и не уходит в никуда. Чтобы нам что-то двинуть – нужно затратить энергию. Какая сила, какая энергия двигает с ускорением падающее на землю тело? Эйнштейн говорит, что это вовсе не сила, а кривизна пространства-времени (в переводе на язык физики – изменение движения, градиент силы, градиент энергии). На самом же деле вот этот градиент силы – есть градиент плотности и давления материальной среды, которую упразднил Эйнштейн! Сегодня эта среда зовётся квантовым физическим вакуумом. Среда эта обладает невероятной плотностью и давлением (энергией движения). В сущности, это бесконечный резервуар энергии движения, который сохраняет наш физический мир в единстве, в целости. Физики прошлого не были так глупы, чтобы не понимать фундаментальность динамики в материальных средах. В девятнадцатом веке австрийский учёный Генрих Шрамм, а в России – Николай Умов, развили целую теорию о движении энергии в телах и средах, где константой скорости была выбрана скорость света в эфире. Шрамм вывел формулу эквивалентности энергии и массы через квадрат скорости света, а Умов дал формуле дополнительное обоснование. Потом эти идеи получили развитие в трудах других учёных. Во всей красе формула эквивалентности «всплыла» в 1905 году, в работах А. Эйнштейна. На самом деле смысл формулы Шрамма-Умова намного глубже, чем думал Эйнштейн и его последователи. Дабы соблюдался закон сохранения живой силы (энергии движения), поток вектора Умова-Пойтинга, втекающий в некоторую замкнутую область, всегда равен вытекающему потоку. В сумме их живая сила (энергия движения) равна нулю. Достаточно в эту картинку внести идею колебательной динамики, где происходят радиальные колебания плотности элементов поля в пределах условной сферы, как мы получим модель частицы протон: продольные радиальные осцилляции элементов поля, где фаза сжатия сменяется фазой расширения (дыхание вакуума). Сингулярность в центре условной сферы – лишь фаза в колебании, а не застывшее во времени состояние. Подобный радиальный осциллятор порождает вокруг себя постоянное волновое поле такой же природы. Решения уравнений ОТО Александром Фридманом говорят как раз об этом. В среде квантового вакуума не может быть статичных состояний, лишь – колебательная динамика сжатий и расширений. Релятивистский интервал в пространстве-времени Минковского обозначается как s в квадрате. Мне думается, что правильней интервал представлять в кубе (третья степень), или, может быть, даже в удвоенном кубе (шестая степень). Тогда, вероятно, легче будет найти общий язык между квантовой теорией поля и полевой теорией гравитации. Надо добавить, что эта квантовая динамика среды связана с термодинамикой, с её энергиями лишь опосредованно, в развитии форм движения. То есть квантовая колебательная динамика к нынешней надуманной идее Большого взрыва никакого отношения не имеет. В отличие от термодинамики, где стрела времени имеет только одно направление, в квантовой колебательной динамике время обратимо. Сумма прямых и обратных движений равна нулю. Как уже не раз говорил ранее, здесь основа законов сохранения в физическом мире и исток симметрии. Вселенная – это спектр амплитуд дыхания вакуума. Но вселенных может быть множество.
Протон, являясь трёхмерным продольным устойчивым колебанием среды, при рождении обретает инерционную массу. Чтобы изменить его положение в пространстве – нужно приложить силу. Протон – это та частица, которая противостоит колоссальной плотности и давлению квантового вакуума. Когда такие частицы со своими волновыми полями собираются в тела, в массу, то эти тела изменяют, деформируют плотность окружающего квантового вакуума, создавая вокруг себя градиент плотности и давления. Это то, что мы называем гравитационным полем. Минимум плотности и давления вакуума – на поверхности тела и в ближайших недрах. С удалением от тела плотность и давление вакуума пропорционально растут. Гравитация есть не притяжение, а выдавливание с ускорением более лёгких тел в направление минимума плотности и давления квантового вакуума. Квантовый вакуум в звёздных системах, в центрах галактик, можно назвать горячим вакуумом. Квантовый вакуум далеко от галактик, в межгалактических областях, можно назвать холодным вакуумом, где плотность и давление его максимальны. Свет далёких галактик, проходя сквозь этот холодный плотный вакуум, теряет свою энергию, длина волны увеличивается, свет «краснеет». Возникает эффект доплеровского красного смещения. И чем дальше от нас галактика, тем «покраснение» света больше. Никакого ускоренного разбегания галактик нет. Хотя движение галактик существует всегда и везде. Но это инерционное движение, полученное при возникновении звёздных островов, как инерционное движение планет вокруг центрального светила. Холодный вакуум межгалактических областей и есть та пресловутая тёмная материя и тёмная энергия, о которой там много говорят в последние годы. Идея Большого взрыва – экстраполяция на основе неверных знаний о природе и эволюции материи во вселенной. В сущности, материя – одна. Но формы её движения, формы динамик очень разнообразны: от простой колебательной динамики дыхания вакуума до мыслящего мозга человека. Мироздание может оказаться более фантастичным, чем нам кажется. Вселенных может быть множество, разного диаметра; не только статичных по месту в пространстве космоса, но и блуждающих…
Мысль о том, что «красное смещение» света далёких галактик может быть не доплеровской природы, – высказывалась неоднократно и до меня. Ничего нового тут нет. Но существует множество толкований природы красного смещения. Я просто хотел обратить внимание на самую естественную, очевидную причину красного смещения. Природа квантового вакуума, вероятно, величайшая загадка физического мира. Трудно поверить в его колоссальную плотность и давление. Но не будь их – наш мир не смог бы существовать. Огромная сила вакуумного давления соединяет физический мир в единое целое. Скорость света, скорости квантовых вакуумных колебаний, невероятные энергии звёздного космоса – всё отсюда, всё из чудесной природы вакуума. Физический вакуум прозрачен, мы не можем видеть его, потому что так называемое электромагнитное излучение проходит в нём как звуковая волна сквозь атмосферу. Цвет голубого неба над нашей головой обусловлен толщиной слоя земной атмосферы. Различной длины волны солнечного света рассеиваются молекулами и атомами воздушной атмосферы. Но сильнее рассеиваются здесь волны с короткой длиной – синие. Их мы и видим. На закате Солнца, у горизонта, особенно там, где много в атмосфере влаги или пыли, Солнце и само небо в этой части краснеют. Получается своего рода красное смещение. Волнам света при низком Солнце приходится пройти более длинный путь в атмосфере Земли. Волны света с короткой длиной как раз тут поглощаются атмосферой, задерживаются, а волны с большей длиной (красные) проходят легче. Можно сказать, доплеровский эффект без доплеровского эффекта.
А это как довесок. Недавно для себя сделал интересное открытие: формула закона Ома имеет удивительное подобие с формулой второго закона Ньютона. Оказывается, сюда же можно добавить третью формулу – формулу Шрамма-Умова (Эйнштейна)!
Второй закон Ньютона: a = F/m
Закон Ома: I = U/R
Формула Шрамма-Умова: m = E/c2
В числителе всех трёх формул стоит величина, обозначающая силу, напряжение, энергию, что тождественно с общим понятием «давление». Величина ускорения тела напрямую зависит от силы давления (удар, напор). Величина тока напрямую зависит от силы давления (противоборство электронной и позитронной зарядовой плотности). Величина массы напрямую зависит от силы давления. Вот тут с природой давления надо разбираться. В знаменателе формул: масса, сопротивление, квадрат скорости света. Если инертную массу тела ещё как-то можно отождествить с сопротивлением движению, то вот квадрат скорости света вызывает сомнение… Если инертная масса тела и сопротивление – величины изменяющиеся, то квадрат скорости света – величина неизменная. Следовательно, масса частицы (!) зависит только от силы (энергии) давления! В случае с массой частицы протон – это амплитуда колебания квантового вакуума, которое совершается в прямом и обратном направлении со скоростью света в среде с давлением (дыхание вакуума). В этом – эквивалентность (в случае частицы протон) массы и энергии через квадрат скорости света (E = mc2), формула, известная как уравнение Эйнштейна. Хотя Эйнштейн на авторство этой формулы никогда и не претендовал. Что претендовать, если формула была известна учёным Европы с 1872 года (Г. Шрамм)! Эйнштейн нашел лишь свой оригинальный и достаточно спекулятивный путь к пониманию этой эквивалентности. К слову сказать, противники приоритета формулы эквивалентности массы и энергии через квадрат скорости света Шрамма-Умова говорят о том, что идеи их были предварительными, сомнительными, без чёткого понимания сути. На самом деле и Шрамм, и Умов достаточно ясно понимали суть эквивалентности. В 1874 году Умов написал в своей диссертации фразу об эквивалентности массы и энергии, которую в двадцатом веке дословно повторит Эйнштейн. Корни идеи об эквивалентности массы и энергии движения уходят глубже, к Фарадею и Максвеллу. Фарадей представлял частицу материи (массу) как устойчивое волновое колебание эфира. И эти волновые частицы взаимодействуют между собой по волновым же законам. Идеи Фарадея сегодня находят своё подтверждение. Среда квантового вакуума (по старому – эфир) – среда с колоссальной плотностью и давлением. Частицы вещества, известные нам, как протоны, не инородные квантовому вакууму образования, а лишь колебательная динамика вакуума в малом объёме (дыхание вакуума). Колебания диполя протона в атоме рождают вихревые квазичастицы – электроны и позитроны. Электроны и позитроны, аннигилируя, рождают так называемые электромагнитные волны. Никакие волны не могут распространяться в средах без потерь энергии; и чем дальше источник – тем больше потери энергии. Так что «красное смещение» волн света далёких галактик – вполне закономерное, обычное физическое явление. Но самое невероятное здесь то – как может существовать в бесконечности пространства среда с такой колоссальной плотностью и давлением! Кажется, такое давление можно создать лишь в ограниченном объёме с толстенными стенками…