Эффект красного смещения галактик (Закон Хаббла)

Природа красного и синего гравитационного смещения в астрономии, удивительное открытие Эдвина Хаббла и инструкция о том, как можно распознать - приближается к нам другая галактика или отдаляется.

Гравитационное красное смещение

Американский астроном Эдвин Хаббл совершил одно из своих величайших открытий совершенно случайно. В 1929 году, работая на 100-дюймовом хейловском телескопе и измеряя спектральные свойства галактик У. Гершеля, он отметил одну любопытную закономерность.

Сами галактики вроде бы были во многом схожи по строению с нашим Млечным путем, но вот спектры ярчайших звезд из этих далеких галактик, заметно отличались от спектров «местных звезд нашей галактики. Все они были характерно «сдвинуты» в более длинноволновую, или красную сторону спектра. Эффект сразу же получил вполне говорящее название — эффект красного смещения.

Вот так и выглядит красное смещение — с Земли мы видим не реальный спектр далекой звезды, а его же, но сдвинутым в красную сторону

Любопытно было также и то, что в пределах одной галактики, красное смещение звезд было как правило примерно одинаковым, но вот для разных галактик оно заметно отличалось.

Вскоре Э.Хабблу удалось установить закономерность:  величина красного смещения прямо пропорциональна расстоянию до галактики.

Иными словами — чем больше эффект красного смещения, тем дальше от нас находится наблюдаемая галактика. Развивая эту идею, Эдвин Хаббл пришел к тому, что сейчас нам известно как закон Хаббла, выражающийся формулой:

где: c — скорость света, z — величина красного смещения, r — расстояние до галактики, а H — постоянная Хаббла (70 (км/с) · Мпк−1.).

Интересно, что закон Хаббла можно подвергнуть довольно занятной проверке — зная, что все пространство «в начале времен» было сжато в одну точку и оценив величину красного смещения для самых удаленных объектов, можно было бы рассчитать теоретический возраст нашей вселенной (т.н. Хаббловский возраст вселенной).

Хаббловский возраст вселенной в итоге почти точно соответствует «стандартному возрасту» вселенной, рассчитываемому по космологической модели Фридмана.

Почему появляется красное смещение

Почему же появляется эффект красного смещения? Корни этого явления стоит искать именно в непрерывном расширении вселенной. Известно, что при удалении источника любых колебаний от наблюдателя, их частота уменьшается из-за эффекта Доплера (в простейшем виде это можно представить так — вы стоите на одном месте, а звук двигателей пролетающего над вами самолета слабеет и меняет тон в зависимости от того насколько далеко он улетел).

Объект удаляется от нас — мы видим красное смещение, объект приближается — мы видим синее смещение

С красным смещением картина хоть и выглядит несколько масштабнее, но эффект имеет тот же самый  — частота испускаемого звездой света (впрочем, вообще любых волн) меняется по мере удаления от массивных космических объектов (звезд и т.п.). В наблюдениях красное смещение хорошо заметно как сдвиг спектральных линий в излучении источников, близких к массивным телам, в красную область спектра.

Интересно, что у красного смещения есть и противоположность — гравитационное синее смещение. Смещение в синий край спектра приобретает свет приходящий из областей с более слабым гравитационным полем, иными словами — если источник света не удаляется от нас (как «разбегающиеся» галактики), а напротив — приближается с достаточной скоростью, его свечение смещается к синему краю спектра.