Когда мы смотрим на ночное небо, звёзды и галактики кажутся лишь светящимися точками. Однако этот свет несёт подробные сведения о температуре, химическом составе и движении своего источника. Если пропустить свет звезды через призму или спектрограф, на непрерывной радужной полосе появляются тонкие тёмные или яркие линии. Эти узоры, называемые спектральными линиями, служат своего рода отпечатком пальца для каждого химического элемента: водород, кальций или железо всегда дают линии на одних и тех же длинах волн. Подсказкой, позволившей астрономам понять, что Вселенная расширяется, стало то, что эти линии оказались смещены относительно положений, измеренных в лаборатории.
Что такое красное смещение?
Красное смещение — это эффект, при котором длины волн света от источника кажутся больше, чем должны быть, и смещены к красному концу спектра. Растянутая длина волны означает также более низкую частоту и меньшую энергию. В обратном случае, когда длины волн укорачиваются и смещаются к синему концу, эффект называют синим смещением.
Величину смещения обычно выражают безразмерным числом, обозначаемым "z", — относительной разностью между наблюдаемой длиной волны и длиной волны в покое. Например, если линии водорода в спектре галактики выглядят примерно на 10 процентов длиннее, значение z составляет около 0,1. Чем больше z, тем из более далёкой области и более ранней эпохи приходит свет; у самых далёких из наблюдаемых сегодня галактик значения z превышают 10.
Эффект Доплера и космологическое красное смещение
Красное смещение часто сравнивают с сиреной скорой помощи, которая звучит выше при приближении и ниже при удалении. Этот эффект Доплера, справедливый для звуковых волн, работает и для света: свет приближающейся звезды смещается в синюю сторону, а удаляющейся — в красную. Доплеровское смещение возникает из-за относительного движения источника и наблюдателя в пространстве и используется для измерения скоростей близких звёзд.
Однако смещение, наблюдаемое у далёких галактик, — явление иного рода. Как подчёркивает Европейское космическое агентство (ЕКА), это "смещение расширения" вызвано не движением галактик к какому-то месту внутри пространства, а расширением самого пространства между двумя галактиками. По мере того как пространство, сквозь которое летит свет, растягивается на фоне, вместе с ним растягивается и длина волны света. Поэтому красное смещение возникает, даже когда два объекта полностью покоятся относительно пространства, — при условии, что расстояние между ними растёт. Космологическое красное смещение поэтому не совсем то же самое, что классический эффект Доплера.
Закон Хаббла: связь между расстоянием и скоростью
В 1912 году Генриетта Суон Ливитт обнаружила связь между периодом пульсации и истинной светимостью переменных звёзд-цефеид, открыв путь к измерению космических расстояний. В 1910-х годах Весто Слайфер показал, что спектры объектов, которые тогда называли "спиральными туманностями", в большинстве своём смещены в красную сторону. В 1927 году бельгийский астроном и священник Жорж Леметр вывел из уравнений общей теории относительности решение для расширяющейся Вселенной и предсказал, что галактики должны удаляться со скоростями, пропорциональными их расстоянию.
В 1929 году Эдвин Хаббл подтвердил эту связь наблюдениями по измерениям, сделанным в обсерватории Маунт-Вилсон: чем дальше находилась галактика, тем быстрее она удалялась. Соотношение записывается просто как v = H0 x d, где v — скорость удаления галактики, d — её расстояние, а H0 — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. Сегодня этот закон называют законом Хаббла — Леметра в знак признания вклада обоих учёных.
Что означает расширение Вселенной?
То, что каждая галактика словно удаляется от нас, не означает, что Млечный Путь находится в центре Вселенной. Аналогия с булкой с изюмом, которую использует ЕКА, хорошо это объясняет: пока тесто поднимается в печи, каждая изюминка удаляется от всех остальных, и на какой бы изюминке вы ни находились, вы увидите, что все соседи удаляются. Во Вселенной расширяется не пустота, сквозь которую движутся галактики, а сама ткань пространства.
Если "отмотать" это расширение назад, оно приводит к началу, в котором вся материя и энергия были собраны в гораздо более горячем, плотном и малом состоянии. Этот вывод, к которому пришёл Леметр, лежит в основе модели Большого взрыва. Значение постоянной Хаббла даёт также грубую оценку возраста Вселенной; современные измерения указывают на возраст около 13,8 миллиарда лет.
Постоянная Хаббла и "хаббловское напряжение"
Постоянную Хаббла обычно приводят в километрах в секунду на мегапарсек (км/с/Мпк): две точки, отстоящие друг от друга на один мегапарсек (около 3,26 миллиона световых лет), удаляются друг от друга с этой скоростью. Проблема в том, что два разных способа измерения постоянной не согласуются между собой.
Метод "космической лестницы расстояний", опирающийся на близкую Вселенную, шаг за шагом использует цефеиды и сверхновые типа Ia и приводит к значению около 73 км/с/Мпк. Данные спутника "Планк", изучающего реликтовое излучение — ископаемый свет ранней Вселенной, — в сочетании со стандартной моделью космологии дают около 67,5 км/с/Мпк. Как пояснило НАСА, разница между этими двумя результатами — устойчивое расхождение, вероятность которого быть статистической случайностью не превышает одной миллионной. Это противоречие, называемое хаббловским напряжением, может указывать либо на ещё не найденные систематические ошибки измерений, либо на новую физику за пределами известного; сегодня это одна из самых оживлённых дискуссий в космологии.
Что ещё говорит нам красное смещение?
Красное смещение не только доказывает расширение, но и служит своего рода машиной времени. Свет галактики с высоким значением z отправился в путь миллиарды лет назад, поэтому изучать её — значит смотреть на юность Вселенной. Инфракрасные обсерватории, такие как космический телескоп "Джеймс Уэбб", созданы именно для того, чтобы улавливать свет очень далёких и сильно смещённых в красную сторону объектов.
Измерения красного смещения также лежат в основе усилий по трёхмерному картированию галактик, отслеживанию распределения тёмной материи и изучению "тёмной энергии", которая показала, что расширение Вселенной ускоряется в течение последних нескольких миллиардов лет. История, начавшаяся столетие назад с небольшого смещения тёмных линий, сегодня находится в центре стремления понять прошлое и будущее космоса.
Источники
- NASA StarChild - "Redshift and Hubble's Law": https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/redshift.html
- Европейское космическое агентство (ЕКА) - "What is 'red shift'?": https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/What_is_red_shift
- NASA Science - "Hubble Reaches New Milestone in Mystery of Universe's Expansion Rate": https://science.nasa.gov/missions/hubble/hubble-reaches-new-milestone-in-mystery-of-universes-expansion-rate/