Откуда Хаббл узнал разницу красного смещения между «удаляющимся» и «старым»?

Измерения «красного смещения», которые Хаббл использовал для определения своего закона, основаны на рассмотрении спектра далеких галактик. То есть разделение света, исходящего от объекта, на составляющие его цвета (например, пропуская его через призму). Если вы посмотрите на такой спектр, то заметите, что некоторые линии (цвета) отсутствуют. Это так называемые линии поглощения, которые соответствуют физическим свойствам конкретных атомов в объекте. Расположение этих линий определяется физикой и является универсальным; они одинаковы для всех объектов.

Однако, если вы посмотрите на спектр удаленного объекта, вы обнаружите, что все эти линии немного сдвинуты в красную сторону. Сравнивая линии поглощения газов на Земле, мы можем установить, насколько сильно смещены линии, так называемое «красное смещение».

Это сильно отличается от покраснения старых звезд. По мере того, как звезды становятся старше, они остывают, а это означает, что свет, который они излучают, имеет больше красного цвета (сравните с огнем, горящим ярко-желтым, когда он горячий, и более темным красным, когда он остывает). Этот сдвиг влияет на общее распределение излучаемого света, но, что важно, не влияет на линии поглощения, которые остаются на одном и том же месте (цвете).

Чтобы продемонстрировать это, вот два спектра из примечаний BBC к экзаменам, сданным в возрасте 16 лет .

Спектр от Солнца:

Спектр из далекой галактики:

Вы можете видеть, что линии в последнем сместились к красному концу.

Отказ от ответственности: я не астроном и не физик. Буду рад любым исправлениям и уточнениям.

Цвет звезды

Свет от звезд и галактик имеет цвет. Цвет звезд, находящихся достаточно близко и достаточно ярко, можно увидеть своими глазами, просто взглянув вверх в ясную ночь ¹ . Галактики настолько тусклые, что кажутся нам серыми, даже если смотреть в телескоп. Но если вы используете камеру и устанавливаете экспозицию достаточно долго, камера также будет фиксировать цвет галактик.

Это тот цвет, о котором мы говорим, когда говорим, что с возрастом звезды становятся краснее. Это цвет, который мы видим своими глазами.

Красное смещение

Свет представляет собой волну ² и подвержен эффекту Доплера , как и звук. Подумайте о звуке автомобиля, проезжающего мимо вас. Шаг его двигателя начинается с высокого, а затем падает. Он начинается высоко, потому что звуковые волны сжимаются, когда машина движется к вам. Когда он проносится мимо, вы слышите, как он смещается ниже. Теперь машина уезжает от вас, поэтому звуковые волны растягиваются.

У света тоже есть длина волны. Длина волны света — это его цвет. Когда что-то, движущееся к вам, излучает свет, его длина волны сжимается, сдвигая цвет в сторону более синего направления спектра, откуда бы он ни исходил. Когда что-то, удаляющееся от вас, излучает свет, его длина волны увеличивается, и цвет становится более красным.

Это и есть красное смещение и синее смещение.

Цвет звезды и красное смещение: как их отличить

Как мы можем определить, имеет ли звезда цвет от самой звезды или она просто смещена в красную сторону из-за удаления от нас?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно взять небольшой побочный квест и поговорить о спектральных линиях.

Откуда мы знаем, из чего состоят звезды?

Мы знаем, что звезды состоят в основном из водорода и гелия, а также из меньшего количества других элементов. Но откуда мы это знаем?

Когда вы пропускаете белый свет через призму, свет, попадающий внутрь, немного преломляется — он преломляется , — а выходящий свет расщепляется на радугу. Радуга света, исходящая из призмы, называется спектром .

Оказывается, когда вы нагреваете атомы, они светятся ³ . Каждый элемент — каждый уникальный вид атома — светится определенным цветом света. Если вы нагреете натрий или любой другой элемент до температуры, достаточной для того, чтобы заставить его светиться, а затем пропустите этот свет через призму, полученный спектр НЕ будет полной радугой. Вместо этого это всего лишь кусочки радуги, настолько тонкие, что они выглядят как линии, которые мы называем спектральными линиями . Важно отметить, что каждый элемент создает уникальный набор линий, отличный от всех других элементов. Один и тот же элемент всегда производит одни и те же линии. Они выглядят так:

Давайте подытожим то, что мы знаем до сих пор.

1. Атомы излучают свет при нагревании.
2. Мы можем разделить свет на его спектр с помощью спектрометра (вариант призмы для научных исследований ⁴ ).
3. Мы можем использовать этот спектр, чтобы определить, какие элементы присутствуют в звезде.

Итак, теперь у нас есть все инструменты, чтобы узнать, из чего состоят звезды! Просто пропустите свет звезды через спектрометр и используйте полученный спектр, чтобы увидеть, какие элементы присутствуют на основе полученных спектральных линий ⁵ .

Аккуратно, да?

Связывая все это вместе

Теперь мы знаем достаточно, чтобы понять, как астрономы могут определить разницу между цветом звезды или галактики и ее красным смещением.

1. Мы знаем, что спектральные линии, присутствующие в спектре звезды, соответствуют элементам, присутствующим в звезде.
2. Если звезда удаляется от нас, спектральные линии будут смещены в красную сторону на величину, соответствующую скорости удаления звезды.
3. Но спектральные линии по-прежнему будут проявляться в узнаваемом образце: ширина линий и расстояние между ними по-прежнему соответствуют любым элементам, присутствующим в звезде. Они просто равномерно сдвинуты в красную сторону, чем спектральные линии, обычно создаваемые этими элементами.
4. Мы можем определить состав звезды по рисунку спектральных линий.
5. Мы можем определить направление и скорость, с которой он движется к нам или от нас, по синему или красному смещению спектральных линий. Т.е. насколько далеко линии от того места, где они должны быть, исходя из композиции из #4.
6. Мы можем определить истинный цвет звезды ⁶ , компенсируя красное или синее смещение.

¹ На первый взгляд все звезды кажутся белыми, но если вы присмотритесь, то заметите, что они слегка красные, синие, желтые, оранжевые и белые. Однажды увидев, трудно развидеть!

² Свет тоже частица. Свет странен и фантастически сложен.

³ На самом деле это даже круче. Все светится, всегда ! Это называется тепловым излучением . «Цвет» или длина волны света, излучаемого предметом, зависит от его температуры. Даже люди светятся! Так работают камеры ночного видения. Они могут видеть инфракрасный свет, который вы излучаете. Единственный способ не светиться — иметь температуру -273,15 °C, что равно 0 K, известное как абсолютный ноль .

⁴ В более общем смысле вы можете разделить свет на его спектр с помощью спектрометра. Призма для спектрометра — то же, что линза для фотоаппарата. Технически в спектрометрах вместо призмы используется дифракционная решетка. Призма разделяет свет на составляющие его цвета, потому что это один из видов дифракционной решетки.

⁵ Я опускаю некоторые детали, такие как различие между спектрами излучения и спектрами поглощения , но в основном это не имеет значения для целей данного обсуждения. В моем примере показан спектр излучения, но ответ Ммента показывает спектр поглощения, который, я считаю, именно то, что астрономы на самом деле использовали бы, глядя на звезды и галактики. Я в основном упоминаю об этом, чтобы объяснить, почему эти два примера выглядят как перевернутые версии друг друга.

⁶ На самом деле нам редко нужно это делать. Композиция говорит нам о звезде гораздо больше, чем ее цвет. Но в принципе у нас достаточно информации, чтобы знать и его истинный цвет.

В небольшом масштабе некоторые звезды смещены в красную сторону, а некоторые — в синюю. Однако, когда мы смотрим на более крупные масштабы, наблюдается общая тенденция: звезды удаляются от нас все дальше и дальше, и все больше и больше смещается в красную сторону, причем в больших количествах. Это согласуется с расширением Вселенной, но его трудно объяснить с точки зрения температуры; почему звезды, находящиеся дальше от нас, должны быть холоднее? Расширение Вселенной изотропно, что означает, что оно выглядит одинаково со всех точек; мы видим другую галактику, удаляющуюся от нас и смещенную в красную сторону, но эта галактика видит, что мы удаляемся от них, и измеряет нас как смещенных в красную сторону. Градиент температуры был бы анизотропным; каждый наблюдатель во Вселенной согласился бы с тем, что Земля находится в какой-то особой зоне высоких температур.

Другие галактики с более низкими температурами также просто не соответствуют тому, что мы знаем об астрономии. Различные астрономические тела, как правило, находятся в разных температурных диапазонах. Если бы далекие от нас звезды были холоднее, они бы находились за пределами обычных температурных диапазонов звезд. Более того, астрономические тела не излучают свет только на одной частоте, они излучают весь спектр. Эти спектры показывают определенные закономерности, такие как более низкая амплитуда на определенных частотах. Термин «красное смещение» относится к тому, как сдвинут весь этот спектр: он имеет одинаковую структуру, только в разных местах. Предположим, вы слышите двух музыкантов, и вы слышите по одной ноте от каждого из них. Если эти ноты звучат по-разному, вы не сможете сказать, из-за того, что они воспроизводятся по-разному, или из-за того, что они движутся с разной скоростью. Но если они оба сыграют целую песню, будет легко сказать, одна и та же это песня или нет. Звезда, удаляющаяся от нас, объясняет, почему у нее та же самая «песня», но в другой «тональности». Звезда, находящаяся при другой температуре, не объясняет этого.