Красное смещение

КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ, увеличение длин волн (уменьшение частот) электромагнитного излучения источника, проявляющееся в сдвиге спектральных линий или других деталей спектра в сторону красного (длинноволнового) конца спектра. Оценку красного смещения обычно производят, измеряя смещение положения линий в спектре наблюдаемого объекта относительно спектральных линий эталонного источника с известными длинами волн. Количественно красное смещение измеряется величиной относительного увеличения длин волн:

Z = (λ_прин -λ_исп)/λ_исп,

где λ_прин и λ_исп - соответственно длины принимаемой волны и волны, испущенной источником.

Выделяют две возможные причины красного смещения. Оно может быть обусловлено Доплера эффектом, когда наблюдаемый источник излучения удаляется. Если при этом z « 1, то скорость удаления ν = cz, где с - скорость света. Если расстояние до источника сокращается, наблюдается смещение противоположного знака (так называемое фиолетовое смещение). Для объектов нашей Галактики как красное, так и фиолетовое смещение не превышает z= 10^-3. В случае больших скоростей движения, сопоставимых со скоростью света, красное смещение возникает вследствие релятивистских эффектов даже в том случае, если скорость источника направлена поперёк луча зрения (поперечный эффект Доплера).

Частным случаем доплеровского красного смещения является космологическое красное смещение, наблюдаемое в спектрах галактик. Впервые космологические красное смещение обнаружено В. Слайфером в 1912-14. Оно возникает вследствие увеличения расстояний между галактиками, обусловленного расширением Вселенной, и в среднем линейно растёт с увеличением расстояний до галактики (Хаббла закон). При не слишком больших значениях красного смещения (z < 1) закон Хаббла обычно используется для оценки расстояний до внегалактических объектов. Наиболее далёкие наблюдаемые объекты (галактики, квазары) имеют красные смещения, существенно превышающие z = 1. Известно несколько объектов с z > 6. При таких величинах z излучение, испущенное источником в видимой области спектра, принимается в ИК-области. В силу конечности скорости света объекты с большими космологическими красными смещениями наблюдаются такими, какими они были миллиарды лет назад, в эпоху их молодости.

Гравитационное красное смещение возникает, когда приёмник света находится в области с меньшим гравитационным потенциалом φ, чем источник. В классической интерпретации этого эффекта фотоны теряют часть энергии на преодоление сил гравитации. В результате частота, характеризующая энергию фотона, уменьшается, а длина волны соответственно возрастает. Для слабых гравитационных полей значение гравитационного красного смещения равно z_g = Δφ/с², где Δφ - разность гравитационных потенциалов источника и приёмника. Отсюда следует, что для сферически-симметричных тел z_g = GM/Rc², где М и R - масса и радиус излучающего тела, G - гравитационная постоянная. Более точная (релятивистская) формула для невращающихся сферических тел имеет вид:

z_g=(1 -2GM/Rc²)^-1/2 - 1.

Гравитационное красное смещение наблюдается в спектрах плотных звёзд (белых карликов); для них z_g≤10^-3. Гравитационное красное смещение было обнаружено в спектре белого карлика Сириус В в 1925 (У. Адамс, США). Наиболее сильным гравитационным красным смещением должно обладать излучение внутренних областей аккреционных дисков вокруг чёрных дыр.

Важным свойством красного смещения любого типа (доплеровского, космологического, гравитационного) является отсутствие зависимости величины z от длины волны. Этот вывод подтверждается экспериментально: для одного и того же источника излучения спектральные линии в оптическом, радио и рентгеновском диапазонах имеют одинаковое красное смещение.

Лит.: Засов А. В., Постнов К. А. Общая астрофизика. Фрязино, 2006.