Червено отместване и Доплеров ефект – определение, спектроскопия и значение

Червеното отместване е метод, който астрономите използват, за да определят разстоянието до обекти, намиращи се на огромни разстояния във Вселената. То е вид наблюдаван доплеров ефект за светлина и е ключово понятие в съвременната астрономия.

Как работи ефектът на Доплер

Най-лесният начин да изпитате ефекта на Доплер е да слушате движещ се влак. Когато влакът се движи към човек, звукът, който издава, докато се приближава към него, звучи сякаш е с по-висок тон, тъй като честотата на звука е малко притисната. Когато влакът се отдалечава, звукът се разтяга и звучи с по-нисък тон. Същото явление се проявява и при светлината, когато източникът ѝ се движи с голяма скорост по посока на наблюдателя или обратно.

Обект като звезда или галактика, който се движи към нас, ще изглежда по-син — това е т.нар. синьо отместване. Звезда или галактика, която се отдалечава от нас, ще изглежда по-червена — оттук идва и терминът червено отместване, защото спектралните признаци се изместват към червения край на спектъра. Разликата в дължината на вълната (λ) се представя чрез безразмерния параметър z, дефиниран като z = (λ_obs − λ_emit)/λ_emit.

Измерване чрез спектроскопия

Причината, поради която астрономите могат да определят колко далеч е изместена светлината, е, че химичните елементи, като водорода и кислорода, оставят характерни отпечатъци в спектъра — точни позиции на емисионни или абсорбционни линии, които са специфични за всеки елемент.

Астрономите използват спектроскопия, за да анализират светлината от даден обект (галактика или звезда). След като установят кои линии виждат, те проверяват разликата между местата, където се намират спектралнителинии, в сравнение с местата, където те се намират обикновено. По това могат да определят дали обектът се движи към нас или от нас, както и със каква скорост. Колкото по-бързо се движи, толкова по-голямо е отместването на тези линии от нормалното им положение в спектъра.

Типични наблюдателни инструменти са спектрографите, които разлагат светлината на отделни дължини на вълната и позволяват прецизни измервания на λ_obs. За високи червени отмествания често се използват линии като Lyman-α (при много далечни галактики и квазари) или серията на Балмера (при по-близки обекти).

Какво се измерва: z и скорост

• Червено отместване z: z = (λ_obs − λ_emit)/λ_emit. За малки z скоростта на отдалечаване v може да се приближи с формулата v ≈ z·c (c е скоростта на светлината).
• Релативистки ефект: при по-големи скорости трябва да се използва релативистката връзка между z и v: 1+z = sqrt((1+v/c)/(1−v/c)) за доплеровото отместване при движение по линията на наблюдение.
• Космологичното отместване: за отдалечени обекти (големи z) червеното отместване не се тълкува просто като „скорост“, а като ефект от разширяването на пространство-времето: 1+z = a(now)/a(then), където a(t) е скалният фактор на Вселената.

Значение и приложения

Червеното отместване е в основата на редица важни открития и техники в астрономията:

• Откриване на разширяването на Вселената — Хъбъл установява, че по-далечните галактики имат по-голямо z, което довежда до закона на Хъбъл (v ≈ H0·d за малки разстояния).
• Определяне на разстояния — чрез комбинация от z и модел на космологията (стойности на H0, Ωm, ΩΛ) се изчисляват разстояния и възраст на обекти.
• Проучване на голямомащабната структура — раджа от червени отмествания позволява създаване на триизмерни карти на галактиките и изучаване на клъстери и струпвания.
• Проучване на ранната Вселена — много високи z (z > 6) ни дава информация за първите звезди, галактики и реионзацията на междугалактическия газ.
• Фотометрични и спектроскопични методи — спектроскопичните червени отмествания са по-точни; фотометричните (изчислени от цветове/филтри) позволяват бързо оценяване на z за големи каталози.
• Други видове отместване — гравитационно червено отместване (в силни гравитационни полета) и времево разширение (например за свръхнови тип Ia) също са важни за физиката и космологията.

Практически примери

За локални галактики z е почти нула (z ≲ 0.1). Типични галактики в близката Вселена имат z от няколко стотни до няколко десети. Квазари и далечни галактики се откриват с z от порядъка на 1–7 и повече; най-отдалечените известни обекти имат z > 7, което означава, че наблюдаваме Вселената в много ранни епохи.

В резюме: чрез наблюдение на изместването на характерни спектрални линии с помощта на спектроскопия, астрономите измерват светлината, разбират дали обектите се движат към нас или от нас и оценяват скоростите и разстоянията им. Това е основен инструмент за картографиране и изучаване на историята и еволюцията на Вселената.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява червеното отместване?

Въпрос: Как можем да изпитаме ефекта на Доплер?

Въпрос: Как астрономите измерват червеното отместване?

Въпрос: Какво причинява синьото отместване?

В: Какви елементи използват астрономите за спектроскопия?

Търсене по буква