Красное смещение — что это?

…И Томлинсон взглянул назад и увидал в ночи
Звезды, замученной в аду, кровавые лучи.
И Томлинсон взглянул вперёд и увидал сквозь бред
Звезды, замученной в аду, молочно-белый свет…


Для астрономов эти строки Редьярда Киплинга из стихотворения «Томлинсон», написанного в 1891 году, — не что иное, как превосходная поэтическая иллюстрация эффекта «красного смещения» света звёзд. Поэт также правильно указал направление — назад; ведь именно при удалении от звезды её свет начинает казаться красным. Либо Киплинг был хорошо знаком с работами австрийского физика Кристиана Доплера (автора известного эффекта), либо обладал поистине выдающейся интуицией.

Фото: красное смещение — интересные факты

Эффект Доплера

Эффект Доплера — замечательное открытие, во многом определившее дальнейшее развитие физики, — был обнаружен в 1842 году.
По преданию, Ньютон открыл закон всемирного тяготения после того, как ему на голову упало яблоко. С открытием эффекта Доплера тоже связана легенда. Якобы оно было сделано в тот момент, когда физик, отдыхая от напряжённых размышлений над волновой теорией, бросал камешки в воду и наблюдал за расходящимися волнами.
Суть эффекта проста. Если источник, излучающий волну, приближается к приёмнику (наблюдателю), то последний видит уменьшение длины волны; если источник, наоборот, отдаляется от наблюдателя, то наблюдаемая длина волны увеличивается.
Иными словами, если источник света (скажем, звезда) отдаляется от земного наблюдателя, длина световой волны от неё будет увеличиваться, и свет будет казаться наблюдателю красным. Если же звезда будет приближаться к Земле, то свет от неё должен, наоборот, «посинеть» (длина волны синего цвета почти в два раза меньше длины волны красного). Но поскольку голубые и синие звёзды — самые яркие из всех, человеческий глаз воспринимает их цвет как белый (снова Киплинг!).
Разумеется, это правило действует не только для световых волн. И звук, и некоторые другие волновые колебания также подчиняются эффекту Доплера. Но, согласитесь, наблюдать действие этого эффекта в мире звёзд гораздо интереснее. Того же мнения придерживался и сам Доплер, опубликовавший в 1842 году работу «О цветном свете двойных звёзд и некоторых других звёзд на небесах».
Шестью годами позже другой физик, француз Ипполит Физо подробно описал сдвиг спектральных линий звёзд, находящихся на значительном расстоянии от Солнца, и доказал, что этот сдвиг объясняется эффектом Доплера. Казалось, был найден простой и надёжный способ вычислять и расстояние до далёких звёзд, и скорость, и направление их движения относительно Солнца.

Красное или синее смещение?

Как известно, звезды и целые звёздные системы движутся друг относительно друга. Скажем, Солнечная система вращается вокруг центра нашей галактики — Млечного Пути — со скоростью около 250 км/сек., делая полный оборот примерно за 200 миллионов лет (так называемый галактический год).
За время такого путешествия Солнечная система приближается к одним звёздам и удаляется от других. То есть мы должны были бы наблюдать в равной мере и красное смещение от одних звёзд, и синее смещение от других.
Однако это не так. Красного смещения, если брать межгалактические масштабы, гораздо больше. Про красное смещение в космосе слышали многие, а вот про синее знают только специалисты. Почему?
Ответ на этот вопрос был получен лишь в начале XX века.
В 1912-1914 годах американский астроном Весто Слайфер, изучая другие галактики (из которых самая ближняя к нам, Туманность Андромеды, находится на расстоянии 2,5 миллиона световых лет), обнаружил в их спектрах преимущественно красное смещение. А в 1924 году соотечественник Слайфера — Эдвин Хаббл открыл, что красное смещение от далёких галактик больше, чем от близких. Мало того, величина красного смещения растёт пропорционально расстоянию до галактики!
Получается, что все галактики, если можно так сказать, опрометью разбегаются в разные стороны…

Знаете ли вы что…

Именем Эдвина Хаббла в 1990 году был назван один из самых мощных орбитальных космических телескопов. С его помощью было сделано больше половины выдающихся астрономических открытий последнего времени.

Закон разбегания галактик

Эдвин Хаббл долгие годы потратил на составление каталогов галактик по их видимому спектру и расстоянию до них. Эта работа привела к открытию в 1929 году известного всем астрономам закона Хаббла — закона «разбегания» галактик.
Мало того что все галактики «разбегаются» друг от друга; они, оказывается, разбегаются с разной скоростью. По величине красного смещения в спектрах Хаббл установил, что «скорость разбегания» тем выше, чем больше галактика удалена от нас. Хаббл вывел формулу скорости разбегания в зависимости от расстояния до галактики и величины красного смещения и определил связующий эти величины коэффициент — так называемую постоянную Хаббла.
Измерения, проводимые в последующие годы, подтвердили, что в общем и целом закон Хаббла соблюдается во Вселенной. Только вот величина «постоянной Хаббла», как выяснилось, на самом деле вовсе не постоянная, а может изменяться со временем.
По последним оценкам (2016 год), она составила 66,93±0,62 км/сек./ Мпк. Здесь Мпк — это мегапарсек, расстояние в 3,26 миллиона световых лет. Это значит, что в настоящее время 2 галактики, разделённые расстоянием в 1 мегапарсек, разлетаются со скоростью примерно 67 км/сек.
Но какое-то время назад (имеется в виду, конечно же, время астрономическое, миллионы земных лет) постоянная Хаббла была иной. И будет иной миллионы лет спустя.
А всё потому, что сама Вселенная расширяется.
Когда-то, около 14 миллиардов лет назад, это было достаточно компактное космическое образование («космическое яйцо»). Но потом по неизвестной причине «космическое яйцо» взорвалось, и на свет появилась Вселенная, в которой живём мы с вами, со всеми её галактиками, туманностями, пульсарами, квазарами и прочей экзотикой вроде «чёрных дыр». И, как всякий молодой (по космическим масштабам) организм, Вселенная продолжает расти.

Доказательства Большого взрыва

Так думают сторонники самой популярной в настоящее время теории возникновения Вселенной — Большого взрыва. У теории Большого взрыва есть два наиболее существенных экспериментальных доказательства — реликтовое излучение (о котором мы уже писали в №23 «Тайн XX века» за 2019 год) и красное смещение в спектрах галактик.
В самом деле если всё началось с Большого взрыва, то его последствия в виде космического вещества, объединившиеся со временем в целые звёздные системы, и должны разлетаться во все стороны. А если две галактики разлетаются в разные стороны, их скорость друг относительно друга увеличивается. Они все больше отдаляются друг от друга; появляется и усиливается со временем красное смещение.
Можно сказать и по-другому: Вселенная расширяется, и её расширение как бы «относит» сформировавшиеся галактики в разные стороны от некоего центра. Свет, являющийся электромагнитной волной определённой длины (или, как говорят физики, «волновой пакет»), летит сквозь пространство, которое все время увеличивается. Вместе с расширением пространства увеличивается и волновой пакет. Соответственно, изменяется и длина волны света. Если за время полёта света пространство расширилось в два раза, то и волновой пакет становится в два раза длиннее.
Так и получается, что синий или фиолетовой свет далёкой (очень-очень далёкой!) от нас галактики, добравшись, наконец, до Млечного Пути, становится красным… или вовсе переходит в невидимую часть спектра. С точки зрения земного человечества очень заманчивой представляется идея, что все галактики разлетаются именно «от нас». То есть мы, наш Млечный Путь, находимся «в центре» мироздания, в том самом месте, где когда-то взорвалось «космическое яйцо».
Увы, ни доказательств, ни опровержений этой прекрасной идеи нет; их и не может быть получено до тех пор, пока человечество не овладеет средствами межгалактической связи и не сможет взглянуть на расширяющуюся Вселенную глазами обитателей, скажем, Малого Магелланова облака. Наша ближайшая галактическая соседка — Туманность Андромеды — находится, к сожалению, «слишком близко» от нас, чтобы по красному смещению других разбегающихся галактик определить местоположение исторического Центра Вселенной.

Журнал: Тайны 20-го века №27, июнь 2019 года
Рубрика: Тайны космоса
Автор: Ольга Строгова




Исторический сайт Багира, история, официальный архив; 2010 —