Црвено поместување

Црвено поместување — зголемување на брановата должина и соодветно намалување на честотата и енергијата на фотонот на електромагнетното зрачење (светлината). Спротивната промена, како што би било намалувањето на брановата должина и истовременото зголемување на честотата и енергијата, е позната како негативно црвено поместување или сино поместување. Овие поими потекнуваат од боите црвена и сина кои се всушност крајните бои на видливиот светлосен спектар.

Впивни линии во видливиот спектар на суперјато од далечни галаксии (десно), во споредба со впивните линии во видливиот спектар на Сонцето (лево). Стрелките укажуваат на црвеното поместување. Брановата должина се зголемува кон црвено и понатаму (честотата се намалува).

Во астрономијата и космологијата, трите главни причини за електромагнетното поместување кон црвено се:

  1. Зрачењето патува помеѓу тела кои се оддалечуваат („релативистичко“ црвено поместување, пример за релативистичкиот Доплеров ефект)
  2. Зрачењето патува кон тело во послаб гравитациски потенцијал, односно кон тело во послабо закривено (порамно) простор-време (гравитационо црвено поместување )
  3. Зрачењето патува низ просторот што се шири (космолошко црвено поместување). Набљудувањето според кое сите извори на светлина кои се на доволно големи растојанија од Земјата и за нив е одлика да имаат црвено поместување што одговара на нивното растојание од Земјата е познато како Хаблов закон.

Релативистичките, гравитационите и космолошките црвени поместувања може да се разберат како составен дел од законите за трансформација на појдовните системи. Гравитационите бранови, кои исто така се движат со брзина на светлината, подлежат на слични промени при црвено поместување.

Примери за изразито црвено поместување гама-зраците восприемени како рендгенско зрачње, или пак оригиналната видлива светлина е восприемена како радио бранови. Посуптилни црвени поместувања се забележани во спектроскопските набљудувања на астрономските тела и нашле примена во овоземните технологии како што се Доплеровите радари и радарските пиштоли.

Постојат и други физички процеси кои можат да доведат до промена на честотата на електромагнетното зрачење, како што се расејувањето и оптичките ефекти ; сепак, овие промени се поразлични од (астрономското) црвено поместување и од оваа причина не се именувани како црвени поместувања (Погледајте физичка оптика и пренос на зрачење).

Големината на црвеното поместување честопати се означува со буквата z, што одговара на делумната промена на брановата должина (позитивна за црвени поместувања, негативна за сини поместувања), и е поврзана со соодносот на брановата должина 1 + z (што пак е >1 за црвени поместувања, <1 за сини поместувања ).

ИсторијаУреди

Историјата на оваа тематика започнува со развојот на брановата механика во XIX век и со истражувањето на појавите кои се поврзани со Доплеровиот ефект. Овој ефект е именуван по Кристијан Доплер, кој бил пррвиот кој понудил физичко објаснување за оваа појава во 1842 година.[1] Ова тврдење било тестирано и потврдено за звукот од страна на холандскиот научник Кристофер Балот во 1845 година.[2] Доплер точно предвидел дека појавата треба да важи за сите видоцви на бранови, и особено навел дека променливоста на боите на ѕвездите се должи на нивното движење во однос на Земјата.[3] Но пред ова тврдење да биде потврдено, сепак, било утврдено дека боите на ѕвездите најпрво се должат на ѕвездената површинска температура, а не на движењето. Дури подоцна ќе биде потврденоова тврдење на Доплер преку извршените набљудувања на црвеното поместување.

Првото Доплерово црвено поместување било опишано од страна на францускиот физичар Иполит Физо во 1848 година, кој укажал на промената во спектралните линии на набљудуваните ѕвезди како последица на Доплеровиот ефект. Ефектот понекогаш се нарекува и "Доплер–Физоов ефект". Во 1868 година, британскиот астроном Вилијам Хагинс бил првиот кој ја одредил брзината на ѕвезда која се оддалечувала од Земјата користејќи го овој метод.[4] Во 1871 година, оптичкото црвено поместување било потврдено кога појавата е набљудувана кај Фраунхоферовите линии користејќи го сончевото вртење, при што е забележано поместување од 0,1 Å кон црвената боја.[5] Во 1887 година, Вогел и Шајнер го забележале годишниот Доплеров ефект, годишната промена во Доплеровото поместување за ѕвездите чија местоположба е во близина на еклиптиката поради орбиталната брзина на Земјата.[6] Во 1901 година, Аристарх Белополски го потврдил оптичкото црвено поместување лабораториски користејќи систем на вртечки огледала.[7]

Најраното спомнување на поимот црвено поместување во печатен облик е она на Волтер Адамс од 1908 година, во кое го спомнува во насловот "Два методи за истражување на природата на црвеното поместување кај маглините".[8] Овој поим не се спомнува сè до 1934 година од кога е употребен од Вилем де Ситер.[9]

Започнувајќи со набљудувања во 1912 година, Весто Слајфер забележал дека повеќeto спирални галаксии, за кои се сметало дека се спирални маглини, имале значајни црвени поместувања. Слајфер е првиот кој дал запис за овие мерењата во годишниот том на Вести од Ловеловата опсерваторија.[10] Три години подоцна, тој напишал труд во списанието Популарна астрономија.[11] Во овој труд тој тврди дека "првичното откритие дека големата спирална галаксија Андромеда имала соста исклучителна брзина од –300 km(/s) со што се покажало дека постои можност за истражување ина брзините а не само на спектрите на спиралните галаксии."[12] Слајфер ги пресметал брзините на 15 спирални маглини кои се биле забележани низ целата небесна сфера, од кои сите освен три имале "позитивни" (осносно оддалечувчки) брзини. Последователно, Едвин Хабл го забележал приближното заемнодејство меѓу црвените поместувања како оние кај "маглините" и растојанијата до нив со записот на познатиот Хаблов закон.[13] Овие набљудувања ја потврдиле работата на Александер Фридман од 1922 година, во која тој ги извел познатите Фридман–Леметерови равенки.[14] Денес тие се сметаат за силен доказ за ширењето на универзумот и теоријата за големата експлозија.[15]

Мерење, опис и толкувањеУреди

 
Галаксии кандидати со големо црвено поместување при Хабловото ултрадлабоко поле од 2012 година[16]

Спектарот на светлината која потекнува од извор (Погледајте ја сликата од идеалниот спектар горе десно) може да се измери. За да се определи црвеното поместување, потребно е да се трага за појави во спектарот како што се впивните линии, оддавните линии, или други промени во јачината на светлината. Доколку се забележани, овие појави може да се споредат со познати појави во спектарот на различни хемиски соединенија кои биле дел од експериментални испитувања и се соединенија кои постојат на Земјата. Многу чест атомски елемент во вселената е водородот. Спектарот на обична светлина која сјае низ водород ќе има спектар кој е специфичен за водородот и ги има истите карактеристики на определени повторувачки интервали. Ако е ограничен само на впивните линии ќе биде налик на оној на сликата (горе десно). Ако истиот шаблон на интервали е забележан во набљудуваниот спектар од далечен извор, но се поместиле брановите должини, тогаш може да се каже дека е препознаено присуството на водород. Ако истата спектрална линија е препознаена во двата спектри, но при различни бранови должини, тогаш црвеното поместување може да се пресмета со со употреба на табелата која е дадена подолу. Определувањето на црвеното поместување на тело на овој начин побарува честота или бранова должина. За да се пресмета црвеното поместување, потребно е да се знае брановата должина на оддадената светлина во почетниот појдовен систем на изворот: со други зборови, брановата должина која може да се измери од набљудувачот кој е веднаш до и се движи заедно со изворот. Бидејќи во астрономската примена овие мерења не можат да се направат директно, од причина што мерачот би требало да отпатува до далечната ѕвезда за која постои интерес, методот при кој се користат спектрални линии и е опишан во овој текст, е методот кој се користи. Црвените поместувања кои се пресметани со набљудување на непрепознаени одлики чија појдовна честота е непозната или пак станува збор за спектар без одлики или бел шум (случајни превирања во спектарот).[17]

Црвеното поместување и (синото поместување) може да се окарактеризираат со релативната разлика меѓу набљудуваната и оддадената бранова должина (или фркевенција) на тоа тело. Во астрономијата, обичај е оваа промена да биде бездимензионална величина означена со z. Ако λ ја претставува брановата должина и f ја претставува честотата (треба да се има на ум дека λf = c при што c е брзината на светлината), тогаш z се дефинира со равенките:[18]

Calculation of redshift,  
Based on wavelength Based on frequency
   
   

Откако ќе се определи z, разликата меѓу црвеното и синото поместување е само работа на тоа дали z е со позитивен или негативен знак. На пример, сините поместувања при Доплеровиот ефект (z < 0) се надоврзани со тела кои се приближуваат до набљудувачот и притоа светлината преминува во повисоки енергии. Соодветно, Доплеровите ефекти при црвеното поместување (z > 0) се поврзани со тела кои се оддалечуваат од набљудувачот и светлината преминува на пониски енергии. Слично, гравитационите сини поместувања се поврзуваат со светлина оддадена од извор кој се оддалечува во послабо гравитационо поле, а набљудувањето се врши од посилно гравитационо поле, додека пак црвеното поместување наведува на спротивното тврдење.

Равенки за црвено поместувањеУреди

 
Црвено и сино поместување.

Во општата релативност може да се изведат неколку специјални равенки за црвеното поместување во одредени специјални време-просторни геометрии , како што е прикажано во следнава табела. Во сите случаи величината на проемната (вредноста на z) е независна од брановата должина.[19]

Преглед за црвеното поместување
Вид на црвено поместување Геометрија Равенка[20]
Релативистички Доплеров ефект Минковскиев простор
(рамен време-простор)

За движења кои се целосно во радијалнна или
во насока на набљудувањето:

 
   for small  


За движења кои се целосно во трансферзална насока:

 
   for small  
Космолошко црвено поместување ФЛРВ време-простор
(универзум кој се шири по големата експлозија)
 

Хаблов закон:

   for  
Гравитационо црвено поместување секој неподвижен време-простор
 

За Шварцшилдова геометрија:

 
   for  

Изразено преку втората космичка брзина:

 

for  

Доплеров ефектУреди

ПоврзаноУреди

НаводиУреди

  1. Doppler, Christian (1846). Beiträge zur fixsternenkunde. 69. Prague: G. Haase Söhne. Bibcode:1846befi.book.....D.
  2. Maulik, Dev (2005). „Doppler Sonography: A Brief History“. Во Maulik, Dev; Zalud, Ivica (уред.). Doppler Ultrasound in Obstetrics And Gynecology. Springer. ISBN 978-3-540-23088-5.
  3. O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F. (1998). „Christian Andreas Doppler“. MacTutor History of Mathematics archive. University of St Andrews.
  4. Huggins, William (1868). „Further Observations on the Spectra of Some of the Stars and Nebulae, with an Attempt to Determine Therefrom Whether These Bodies are Moving towards or from the Earth, Also Observations on the Spectra of the Sun and of Comet II“. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 158: 529–564. Bibcode:1868RSPT..158..529H. doi:10.1098/rstl.1868.0022.
  5. Reber, G. (1995). „Intergalactic Plasma“. Astrophysics and Space Science. 227 (1–2): 93–96. Bibcode:1995Ap&SS.227...93R. doi:10.1007/BF00678069. S2CID 30000639.
  6. Pannekoek, A (1961). A History of Astronomy. Dover. стр. 451. ISBN 978-0-486-65994-7.
  7. Bélopolsky, A. (1901). „On an Apparatus for the Laboratory Demonstration of the Doppler-Fizeau Principle“. Astrophysical Journal. 13: 15. Bibcode:1901ApJ....13...15B. doi:10.1086/140786.
  8. Adams, Walter S. (1908). „Preliminary catalogue of lines affected in sun-spots“. Contributions from the Mount Wilson Observatory / Carnegie Institution of Washington. Contributions from the Solar Observatory of the Carnegie Institution of Washington: Carnegie Institution of Washington. 22: 1–21. Bibcode:1908CMWCI..22....1A. Reprinted in Adams, Walter S. (1908). „Preliminary Catalogue of Lines Affected in Sun-Spots Region λ 4000 TO λ 4500“. Astrophysical Journal. 27: 45. Bibcode:1908ApJ....27...45A. doi:10.1086/141524.
  9. de Sitter, W. (1934). „On distance, magnitude, and related quantities in an expanding universe“. Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands. 7: 205. Bibcode:1934BAN.....7..205D. It thus becomes urgent to investigate the effect of the redshift and of the metric of the universe on the apparent magnitude and observed numbers of nebulae of given magnitude
  10. Slipher, Vesto (1912). „The radial velocity of the Andromeda Nebula“. Lowell Observatory Bulletin. 1 (8): 2.56–2.57. Bibcode:1913LowOB...2...56S. The magnitude of this velocity, which is the greatest hitherto observed, raises the question whether the velocity-like displacement might not be due to some other cause, but I believe we have at present no other interpretation for it
  11. Slipher, Vesto (1915). „Spectrographic Observations of Nebulae“. Popular Astronomy. 23: 21–24. Bibcode:1915PA.....23...21S.
  12. Slipher, Vesto (1915). „Spectrographic Observations of Nebulae“. Popular Astronomy. 23: 22. Bibcode:1915PA.....23...21S.
  13. Hubble, Edwin (1929). „A Relation between Distance and Radial Velocity among Extra-Galactic Nebulae“. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 15 (3): 168–173. Bibcode:1929PNAS...15..168H. doi:10.1073/pnas.15.3.168. PMC 522427. PMID 16577160.
  14. Friedman, A. A. (1922). „Über die Krümmung des Raumes“. Zeitschrift für Physik. 10 (1): 377–386. Bibcode:1922ZPhy...10..377F. doi:10.1007/BF01332580. S2CID 125190902. English translation in Friedman, A. (1999). „On the Curvature of Space“. General Relativity and Gravitation. 31 (12): 1991–2000. Bibcode:1999GReGr..31.1991F. doi:10.1023/A:1026751225741. S2CID 122950995.)
  15. This was recognized early on by physicists and astronomers working in cosmology in the 1930s. The earliest layman publication describing the details of this correspondence is Eddington, Arthur (1933). The Expanding Universe: Astronomy's 'Great Debate', 1900–1931. Cambridge University Press. (Reprint: ISBN 978-0-521-34976-5)
  16. „Hubble census finds galaxies at redshifts 9 to 12“. ESA/Hubble Press Release. Посетено на 13 December 2012.
  17. See, for example, this 25 May 2004 press release from NASA's Swift Gamma-Ray Burst Mission space telescope that is researching gamma-ray bursts: "Measurements of the gamma-ray spectra obtained during the main outburst of the GRB have found little value as redshift indicators, due to the lack of well-defined features. However, optical observations of GRB afterglows have produced spectra with identifiable lines, leading to precise redshift measurements."
  18. See [1] for a tutorial on how to define and interpret large redshift measurements.
  19. See Binney and Merrifeld (1998), Carroll and Ostlie (1996), Kutner (2003) for applications in astronomy.
  20. Where z = redshift; v|| = velocity parallel to line-of-sight (positive if moving away from receiver); c = speed of light; γ = Lorentz factor; a = scale factor; G = gravitational constant; M = object mass; r = |radial Schwarzschild coordinate, gtt = t,t component of the metric tensor

ИзвориУреди

СтатииУреди

  • Odenwald, S. & Fienberg, RT. 1993; "Galaxy Redshifts Reconsidered" in Sky & Telescope Feb. 2003; pp31–35 (This article is useful further reading in distinguishing between the 3 types of redshift and their causes.)
  • Lineweaver, Charles H. and Tamara M. Davis, "Misconceptions about the Big Bang", Scientific American, March 2005. (This article is useful for explaining the cosmological redshift mechanism as well as clearing up misconceptions regarding the physics of the expansion of space.)

КнигиУреди

Надворешни врскиУреди

Предлошка:Gravitational waves Предлошка:Cosmology topics