Червоний зсув і ефект Доплера: Читання руху з спектру

Розтягування та стиснення хвилі

Коли джерело хвиль рухається відносно спостерігача, хвилі, які отримує спостерігач, не є на частоті, яку фактично випромінює джерело. Джерело, що наближається, стискає свої фронти в напрямку руху, підвищуючи отриману частоту; джерело, що віддаляється, розтягує їх, знижуючи її. Це явище називається ефектом Доплера, найбільш відомим за звуком сирени машини швидкої допомоги, яка падає в висоті, і світ дотримується тих самих основних геометричних принципів, навіть якщо для його передачі не потрібна середня.

Зміна довжини хвилі світла: кількісна оцінка

Для світла астрономи визначають зміну довжини хвилі одним безрозмірним числом, z, яке є відношенням між спостережуваною довжиною хвилі та довжиною хвилі, яку випромінює джерело у своєму власному спокійному кадрі.

z = (lambda_observed - lambda_emitted) / lambda_emitted

z > 0   ->  wavelength stretched   -> redshift  (receding)
z < 0   ->  wavelength compressed -> blueshift (approaching)

for velocities much slower than light (v << c):
  z ~ v / c

Два різні фізичні причини, одна формула

Зміщення у спектральній лінії може бути спричинене більше ніж однією фізичною причиною, і важливо, яку саме причину ви розглядаєте. Звичайне примарне зміщення (peculiar velocity shift) – це звичайна доплерівська ефект: галактика справді рухається в просторі відносно спостерігача, така ж фізика, як і звук сирени машини швидкої допомоги. Космологічне зміщення (cosmological redshift) відрізняється за природою – воно не викликане галактиками, що летять крізь статичний простір, а розширенням самого простору під час переміщення світла, яке несучи з собою довжину хвилі світла.

При низькому зміщенні обидва ефекти майже однакові за числовим значенням, і простий доплерівський закон є хорошим наближенням; при високих зміщеннях, де світло провело мільярди років, переміщуючись у розширюваному всесвіті, лише повне космологічне обчислення дає правильний результат.

Спектральні лінії: лінійка, яка робить червоніщення вимірюваним

Жодного з цього не було б виміряно без чогось для порівняння. Атоми поглинають і випромінюють світло лише на різких, специфічних довжинах хвиль, встановлених їхньою внутрішньою квантовою структурою - лінії Бальмера водню, наприклад, знаходяться на довжинах хвиль, які були виміряні в лабораторіях на Землі з надзвичайною точністю. Коли астрономи бачать той самий екземпляр спектральної лінії у віддаленому галактичному світлі, але зміщений рівномірно до довших або коротших довжин хвиль, коефіцієнт зміни застосовується до відомого, надійної посиланням шаблону - це те, що вимірюється як z - не розпливчаста зміна кольору, а точний відношення застосоване до впізнаваного відбитка.

Від червощення до закону Хаббла

У 1929 році Едвін Хаббл об’єднав вимірювання червощення з незалежними оцінками відстаней для зразка галактик і виявив дуже простий закономірність: в середньому, чим далі галактика, тим швидше її червощення свідчить про те, що вона віддаляється, прямо пропорційно відстані. Ця залежність, закон Хаббла, v = H0 * d, перетворила червощення з цікавого спектрального явища на найбільш практичний інструмент в спостережуваній космології - один спектр, отриманий від однієї галактики, дає як її рецесію, так і оцінку відстані до неї через закон Хаббла, без необхідності надсилати зонд або вимірювати паралакс.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Redshift & Doppler Shift Visualizer і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.