Красное смещение: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
[отпатрулированная версия][непроверенная версия]
← Предыдущая правкаСледующая правка →
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
м -забытое слово от удалённой фразы.
дополнение
Строка 1: Строка 1:
{{Космология}}
[[Файл:Redshift.svg|right|thumb|200px|Красное смещение]]
[[Файл:Redshift.svg|right|thumb|200px|Красное смещение]]
[[Файл:Redshift blueshift.svg|thumb|Красное смещение и синее смещение]]
[[Файл:Redshift blueshift.svg|thumb|Красное смещение и синее смещение]]
'''Красное смещение''' — явление, при котором [[электромагнитное излучение]] увеличивает свою [[Длина волны|длину волны]] (например, свет становится более красным), соответственно, его частота и энергия уменьшается. Противоположное, но аналогичное по своей природе явление называется [[Синее смещение|синим смещением]]<ref name="astronetks2">[http://www.astronet.ru/db/msg/1177975 Красное смещение]</ref>.
'''Красное смещение''' — сдвиг [[спектральная линия|спектральных линий]] [[химический элемент|химических элементов]] в красную (длинноволновую) сторону<ref name="astronetks">[http://www.astronet.ru/db/msg/1177975 Красное смещение]</ref>. Это явление может быть выражением [[эффект Доплера|эффекта Доплера]] или [[Гравитационное красное смещение|гравитационного красного смещения]], или их комбинацией. Сдвиг спектральных линий в фиолетовую (коротковолновую) сторону называется [[синее смещение|синим смещением]]. Впервые сдвиг спектральных линий в спектрах небесных тел описал французский физик [[Физо, Арман Ипполит Луи|Ипполит Физо]] в [[1848 год]]у, и предложил для объяснения сдвига эффект Доплера, вызванный [[Радиальная скорость|лучевой скоростью]] звезды.


Есть и другие эффекты, которые могут приводить к видимому покраснению, но имеют совершенно другую природу и проявляются по-другому, например, [[межзвёздное покраснение]].
Существуют и другие физические явления, которые могут привести к сдвигу частоты электромагнитного излучения, включая [[Рассеяние света|рассеяние]] и эффекты [[Физическая оптика|физической оптики]].

== История ==
В 19 веке активно развивалась [[волновая теория света]], а в 1842 году был открыт и описан [[эффект Доплера]]<ref>{{cite book|author=Doppler, Christian|date=1846|title=Beiträge zur fixsternenkunde|publisher=Prague: G. Haase Söhne|doi=|bibcode=1846befi.book.....D|volume=69}}</ref>. Сам [[Доплер, Кристиан|Доплер]] правильно предсказал, что этот эффект должен работать для всех волн, но выдвинул ошибочную гипотезу, что различия в цветах [[Звезда|звёзд]] вызваны их движением относительно Земли. В дальнейшем выяснилось, что цвет звезды зависит от [[Температура|температуры]] её поверхности<ref>{{cite web|url=http://www-history.mcs.st-andrews.ac.uk/Biographies/Doppler.html|title=Christian Andreas Doppler|author=O'Connor, John J.|work=MacTutor History of Mathematics archive|date=1998|publisher=University of St Andrews}}</ref>, однако, в 1848 году французский физик [[Физо, Арман Ипполит Луи|Ипполит Физо]] открыл, что эффект Доплера вызвает смещение [[Спектральная линия|спектральных линий]] звёзд.

В 1868 году британский астроном [[Хаггинс, Уильям|Уильям Хаггинс]] впервые определил [[Радиальная скорость|радиальную скорость]] звезды, измерив смещение спектральных линий<ref name="Huggins">{{cite journal|author=Huggins, William|date=1868|title=Further Observations on the Spectra of Some of the Stars and Nebulae, with an Attempt to Determine Therefrom Whether These Bodies are Moving towards or from the Earth, Also Observations on the Spectra of the Sun and of Comet II|journal=[[Philosophical Transactions of the Royal Society of London]]|volume=158|pages=529–564|bibcode=1868RSPT..158..529H|doi=10.1098/rstl.1868.0022}}</ref>, а в 1871 было замечено, что подобный эффект наблюдается у [[Солнце|Солнца]] и вызван его вращением<ref>{{cite journal|author=Reber, G.|date=1995|title=Intergalactic Plasma|journal=Astrophysics and Space Science|volume=227|issue=1–2|pages=93–96|doi=10.1007/BF00678069|bibcode=1995Ap&SS.227...93R}}</ref>. В 1887 году немецкие учёные открыли годичное изменение красного смещения звёзд, вызванное вращением Земли вокруг Солнца<ref>{{cite book|last=Pannekoek|first=A|title=A History of Astronomy|date=1961|publisher=Dover|page=451|isbn=978-0-486-65994-7}}</ref>, а в 1901 русский астроном [[Белопольский, Аристарх Аполлонович|Аристарх Белопольский]] подтвердил существование этого эффекта в лабораторных условиях с помощью системы вращающихся зеркал<ref>{{cite journal|author=Bélopolsky, A.|date=1901|bibcode=1901ApJ....13...15B|title=On an Apparatus for the Laboratory Demonstration of the Doppler-Fizeau Principle|journal=[[Astrophysical Journal]]|volume=13|page=15|doi=10.1086/140786}}</ref>.

Термин «красное смещение» впервые использовал для описания явления американский астроном [[Адамс, Уолтер Сидни|Уолтер С. Адамс]] в 1908 году<ref>{{cite journal|author=Adams, Walter S.|date=1908|title=Preliminary catalogue of lines affected in sun-spots|place=Contributions from the Solar Observatory of the Carnegie Institution of Washington|publisher=Carnegie Institution of Washington|volume=22|pages=1–21|bibcode=1908CMWCI..22....1A|journal=Contributions from the Mount Wilson Observatory / Carnegie Institution of Washington}} Reprinted in {{cite journal|doi=10.1086/141524|last1=Adams|first1=Walter S.|title=Preliminary Catalogue of Lines Affected in Sun-Spots Region λ 4000 TO λ 4500|date=1908|journal=[[Astrophysical Journal]]|volume=27|page=45|bibcode=1908ApJ....27...45A}}</ref>.

В 1912 году американский астроном [[Слайфер, Весто Мелвин|Весто Слайфер]] заметил, что большинство [[Спиральная галактика|спиральных галактик]] (в то время они считались туманностями спиральной формы) имеют заметное красное смещение, но заметил, что у [[Галактика Андромеды|туманности Андромеды]], наоборот, наблюдается синее смещение, и её радиальная скорость равна –300 км/с<ref>{{cite journal|author=Slipher, Vesto|date=1912|title=The radial velocity of the Andromeda Nebula|journal=Lowell Observatory Bulletin|volume=1|pages=2.56–2.57|bibcode=1913LowOB...2...56S|quote=The magnitude of this velocity, which is the greatest hitherto observed, raises the question whether the velocity-like displacement might not be due to some other cause, but I believe we have at present no other interpretation for it}}</ref><ref>{{cite journal|author=Slipher, Vesto|date=1915|title=Spectrographic Observations of Nebulae|journal=Popular Astronomy|volume=23|pages=21–24|bibcode=1915PA.....23...21S}}</ref>. Суммарно он измерил скорости 15 галактик, и оказалось, что только 3 из них приближаются к Земле, а остальные удаляются. Впоследствии [[Хаббл, Эдвин|Эдвин Хаббл]] обнаружил, что красное смещение (а значит, и радиальная скорость) галактики связаны с расстоянием до неё, что теперь известно, как [[закон Хаббла]]<ref>{{cite journal|doi=10.1073/pnas.15.3.168|author=Hubble, Edwin|date=1929|bibcode=1929PNAS...15..168H|title=A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae|url=http://www.pnas.org/cgi/reprint/15/3/168|journal=[[Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America]]|volume=15|issue=3|pages=168–173|pmid=16577160|pmc=522427}}</ref>, а в 1922 году [[Фридман, Александр Александрович|Александр Фридман]] вывел [[уравнение Фридмана]]<ref>{{cite journal|author=Friedman, A. A.|date=1922|title=Über die Krümmung des Raumes|journal=[[Zeitschrift für Physik]]|volume=10|issue=1|pages=377–386|doi=10.1007/BF01332580|bibcode=1922ZPhy...10..377F}} English translation in {{cite journal|title=On the Curvature of Space|doi=10.1023/A:1026751225741|last1=Friedman|date=1999|first1=A.|journal=[[General Relativity and Gravitation]]|volume=31|issue=12|pages=1991–2000|bibcode=1999GReGr..31.1991F}})</ref>, которое считается доказательством [[Расширение Вселенной|расширения Вселенной]] и её возникновения в результате [[Большой взрыв|Большого взрыва]]<ref name="Eddington">This was recognized early on by physicists and astronomers working in cosmology in the 1930s. The earliest layman publication describing the details of this correspondence is {{cite book|author=Eddington, Arthur|date=1933|title=The Expanding Universe: Astronomy's 'Great Debate', 1900–1931|url=https://archive.org/details/in.ernet.dli.2015.220736|publisher=[[Cambridge University Press]]}} (Reprint: {{ISBN|978-0-521-34976-5}})</ref>.


== Теория красного смещения ==
== Теория красного смещения ==
В обоих случаях (Доплеровского эффекта или эффектов ОТО) параметр смещения <math>z</math> определяется как
В обоих случаях (Доплеровского эффекта или эффектов ОТО) параметр смещения <math>z</math> определяется как
: <math>z = {\lambda - \lambda_{0} \over \lambda_{0}},</math><ref name="astronetks" />
: <math>z = {\lambda - \lambda_{0} \over \lambda_{0}},</math><ref name="astronetks2" />

где <math>\lambda</math> и <math>\lambda_{0}</math> — значения длины волны в точках наблюдения и испускания излучения соответственно.
где <math>\lambda</math> и <math>\lambda_{0}</math> — значения длины волны в точках наблюдения и испускания излучения соответственно.


Строка 41: Строка 52:
{{Перевести|en|Redshift}}
{{Перевести|en|Redshift}}



{{astro-stub}}
{{phys-stub}}


[[Категория:Космология]]
[[Категория:Космология]]

Версия от 15:39, 2 апреля 2020

Красное смещение
Красное смещение и синее смещение

Красное смещение — явление, при котором электромагнитное излучение увеличивает свою длину волны (например, свет становится более красным), соответственно, его частота и энергия уменьшается. Противоположное, но аналогичное по своей природе явление называется синим смещением[1].

Есть и другие эффекты, которые могут приводить к видимому покраснению, но имеют совершенно другую природу и проявляются по-другому, например, межзвёздное покраснение.

История

В 19 веке активно развивалась волновая теория света, а в 1842 году был открыт и описан эффект Доплера[2]. Сам Доплер правильно предсказал, что этот эффект должен работать для всех волн, но выдвинул ошибочную гипотезу, что различия в цветах звёзд вызваны их движением относительно Земли. В дальнейшем выяснилось, что цвет звезды зависит от температуры её поверхности[3], однако, в 1848 году французский физик Ипполит Физо открыл, что эффект Доплера вызвает смещение спектральных линий звёзд.

В 1868 году британский астроном Уильям Хаггинс впервые определил радиальную скорость звезды, измерив смещение спектральных линий[4], а в 1871 было замечено, что подобный эффект наблюдается у Солнца и вызван его вращением[5]. В 1887 году немецкие учёные открыли годичное изменение красного смещения звёзд, вызванное вращением Земли вокруг Солнца[6], а в 1901 русский астроном Аристарх Белопольский подтвердил существование этого эффекта в лабораторных условиях с помощью системы вращающихся зеркал[7].

Термин «красное смещение» впервые использовал для описания явления американский астроном Уолтер С. Адамс в 1908 году[8].

В 1912 году американский астроном Весто Слайфер заметил, что большинство спиральных галактик (в то время они считались туманностями спиральной формы) имеют заметное красное смещение, но заметил, что у туманности Андромеды, наоборот, наблюдается синее смещение, и её радиальная скорость равна –300 км/с[9][10]. Суммарно он измерил скорости 15 галактик, и оказалось, что только 3 из них приближаются к Земле, а остальные удаляются. Впоследствии Эдвин Хаббл обнаружил, что красное смещение (а значит, и радиальная скорость) галактики связаны с расстоянием до неё, что теперь известно, как закон Хаббла[11], а в 1922 году Александр Фридман вывел уравнение Фридмана[12], которое считается доказательством расширения Вселенной и её возникновения в результате Большого взрыва[13].

Теория красного смещения

В обоих случаях (Доплеровского эффекта или эффектов ОТО) параметр смещения определяется как

[1]

где и  — значения длины волны в точках наблюдения и испускания излучения соответственно.

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

Гравитационное красное смещение было предсказано А. Эйнштейном (1911) при разработке общей теории относительности (ОТО). В линейном относительно гравитационного потенциала приближении

где и  — значения гравитационного потенциала в точках наблюдения и излучения соответственно. в том случае, когда в точке наблюдения потенциал больше (а модуль его меньше, так как потенциал — величина отрицательная).

Для массивных компактных объектов с сильным полем тяготения (например, нейтронных звёзд и чёрных дыр) следует пользоваться точными формулами. В частности, гравитационное красное смещение в спектре сферического тела массой и радиусом (где  — гравитационный радиус,  — гравитационная постоянная) определяется выражением

Наблюдение красного смещения

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 слабой диффузии, эффекта Доплера, эффектов ОТО, 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».

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 Красное смещение
  2. ↑ Doppler, Christian. Beiträge zur fixsternenkunde. — Prague: G. Haase Söhne, 1846. — Vol. 69.
  3. ↑ O'Connor, John J. Christian Andreas Doppler. MacTutor History of Mathematics archive. University of St Andrews (1998).
  4. ↑ Huggins, William (1868). "Further Observations on the Spectra of Some of the Stars and Nebulae, with an Attempt to Determine Therefrom Whether These Bodies are Moving towards or from the Earth, Also Observations on the Spectra of the Sun and of Comet II". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 158: 529—564. Bibcode:1868RSPT..158..529H. doi:10.1098/rstl.1868.0022.
  5. ↑ Reber, G. (1995). "Intergalactic Plasma". Astrophysics and Space Science. 227 (1—2): 93—96. Bibcode:1995Ap&SS.227...93R. doi:10.1007/BF00678069.
  6. ↑ Pannekoek, A. A History of Astronomy. — Dover, 1961. — P. 451. — ISBN 978-0-486-65994-7.
  7. ↑ Bélopolsky, A. (1901). "On an Apparatus for the Laboratory Demonstration of the Doppler-Fizeau Principle". Astrophysical Journal. 13: 15. Bibcode:1901ApJ....13...15B. doi:10.1086/140786.
  8. ↑ Adams, Walter S. (1908). "Preliminary catalogue of lines affected in sun-spots". Contributions from the Mount Wilson Observatory / Carnegie Institution of Washington. 22. Contributions from the Solar Observatory of the Carnegie Institution of Washington: Carnegie Institution of Washington: 1—21. Bibcode:1908CMWCI..22....1A. Reprinted in Adams, Walter S. (1908). "Preliminary Catalogue of Lines Affected in Sun-Spots Region λ 4000 TO λ 4500". Astrophysical Journal. 27: 45. Bibcode:1908ApJ....27...45A. doi:10.1086/141524.
  9. ↑ Slipher, Vesto (1912). "The radial velocity of the Andromeda Nebula". Lowell Observatory Bulletin. 1: 2.56—2.57. Bibcode:1913LowOB...2...56S. The magnitude of this velocity, which is the greatest hitherto observed, raises the question whether the velocity-like displacement might not be due to some other cause, but I believe we have at present no other interpretation for it
  10. ↑ Slipher, Vesto (1915). "Spectrographic Observations of Nebulae". Popular Astronomy. 23: 21—24. Bibcode:1915PA.....23...21S.
  11. ↑ Hubble, Edwin (1929). "A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 15 (3): 168—173. Bibcode:1929PNAS...15..168H. doi:10.1073/pnas.15.3.168. PMC 522427. PMID 16577160.
  12. ↑ Friedman, A. A. (1922). "Über die Krümmung des Raumes". Zeitschrift für Physik. 10 (1): 377—386. Bibcode:1922ZPhy...10..377F. doi:10.1007/BF01332580. English translation in Friedman, A. (1999). "On the Curvature of Space". General Relativity and Gravitation. 31 (12): 1991—2000. Bibcode:1999GReGr..31.1991F. doi:10.1023/A:1026751225741.)
  13. ↑ This was recognized early on by physicists and astronomers working in cosmology in the 1930s. The earliest layman publication describing the details of this correspondence is Eddington, Arthur. The Expanding Universe: Astronomy's 'Great Debate', 1900–1931. — Cambridge University Press, 1933. (Reprint: ISBN 978-0-521-34976-5)

Ссылки

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Красное_смещение&oldid=106067695