Червоний зсув або червоне зміщення — зсув спектральних ліній хімічних елементів у червоний (довгохвильовий) бік. Являє собою збільшення довжини хвилі та відповідне зменшення частоти та енергії фотонів електромагнітного випромінювання, наприклад, світла. Протилежне явище, тобто зменшення довжини хвилі та збільшення частоти та енергії, називають синім зміщенням. Обидва ці явища є проявом ефекту Доплера у видимому електромагнітному діапазоні.
Кожен хімічний елемент поглинає або випромінює електромагнітні хвилі на певних визначених частотах, утворюючи спектр, що застосовується в спектральному аналізі. Якщо об'єкт рухається відносно спостерігача, то внаслідок ефекту Доплера частота хвилі змінюється (збільшується, коли об'єкт наближається, чи зменшується, коли об'єкт віддаляється від спостерігача), а спектральні лінії відповідно зсуваються в синю (короткохвильову) або червону (довгохвильову) частину спектра, зберігаючи відносне розташування. Зсув ліній у червоний бік, зумовлений віддаленням об'єкта, називається «червоним зсувом».
Гравітаційні хвилі, які поширюються зі швидкістю світла, також схильні до цього явища. Величина червоного зсуву позначається літерою z, що відповідає дробовій зміні довжини хвилі (позитивне для червоного зсуву, негативне для синього), і співвідношенням довжин хвиль 1 + z (що більше ніж 1 для червоного зміщення і менше ніж 1 для синього зміщення).
Найчастіше термін «червоний зсув» використовують для позначення гравітаційного або космологічного червоного зсуву.
Існують інші фізичні процеси, які можуть призвести до зміни частоти електромагнітного випромінювання, включаючи розсіювання та оптичні ефекти; однак результуючі зміни відрізняються від (астрономічного) червоного зсуву і зазвичай не називаються такими.
Історія Ефект Доплера був відкритий і описаний австрійським математиком Крістіаном Доплером у 1842 році. Він запропонував перше фізичне пояснення явища зміни частоти хвиль залежно від руху джерела відносно спостерігача. Гіпотеза була перевірена і підтверджена для звукових хвиль нідерландським вченим Христофором Бейсом Баллотом у 1845 році. Доплер правильно припустив, що цей ефект застосовується до всіх типів хвиль і, зокрема, що різні кольори у зір можуть пояснюватися їхнім рухом відносно Землі.
1848 року, не знаючи про роботи Доплера, французький фізик Іпполіт Фізо вказав на зсув спектральних ліній у зорях як на наслідок ефекту Доплера. Цей ефект іноді називають «ефектом Доплера — Фізо». 1868 року британський астроном Вільям Гаґґінс першим визначив швидкість віддалення зорі від Землі, застосувавши цей метод. 1871 року оптичний червоний зсув було підтверджено під час спостережень ліній Фраунгофера, зумовлених обертанням Сонця; зсув становив близько 0,1 Å у червоній частині спектра. 1887 року Фогель і Шейнер виявили річний ефект Доплера — щорічну зміну доплерівського зсуву зір поблизу екліптики, спричинену орбітальним рухом Землі. 1901 року Аристарх Бєлопольський експериментально підтвердив існування оптичного червоного зсуву в лабораторних умовах, використовуючи систему обертових дзеркал.
Починаючи зі спостережень 1912 року, Весто Слайфер виявив, що більшість спіральних галактик, таких як Андромеда, які тоді вважалися спіральними туманностями, демонстрували синій зсув. Це зміщення свідчило про їхній рух у напрямку до Землі. Слайфер вперше повідомив про свої вимірювання в першому томі «Бюлетеня обсерваторії Лоуелла». Через три роки він опублікував огляд у журналі «Популярна астрономія», у якому зазначав, що виявлена висока швидкість руху галактики Андромеди (−300 км/с) показала, що тодішні методи дозволяли не лише вивчати спектри спіральних туманностей, а й визначати їхні швидкості.
Слайфер повідомив про швидкості 15 спіральних туманностей, розташованих по всій небесній сфері, і всі вони, окрім трьох, віддалялися від Землі, що засвідчувало наявність червоного зсуву в їхньому спектрі та відповідало «позитивним» (тобто віддаленим) швидкостям. Згодом Едвін Габбл виявив приблизний зв'язок між червоними зсувами таких «туманностей» і відстанями до них, сформулювавши свій однойменний закон Габбла. працював над цими спостереженнями разом із Габблом. Отримані результати підтвердили теоретичну модель, запропоновану Олександром Фрідманом 1922 року, в якій він вивів рівняння Фрідмана―Леметра English translation in ). У XX столітті ці спостереження вважалися одним із ключових доказів розширення Всесвіту та теорії Великого вибухуThis 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 (Reprint: ).
На початку 1930 року поєднання вимірювань червоного зсуву та теоретичних моделей започаткувало великий прорив у сучасній космології. Вчені дійшли висновку, що Всесвіт має історію, і його розширення можна досліджувати за допомогою фізичних моделей, підтверджених астрономічними спостереженнями.
У 1960-х роках відкриття квазарів, які виглядали як яскраві сині точкові джерела, спочатку призвело до припущення, що ці об'єкти знаходяться ближче, ніж це випливало з їхнього червоного зміщення. Проте подальші теоретичні та спостережні дослідження показали, що квазари — це дуже потужні, але віддалені астрономічні об'єкти.
Вимірювання та інтерпретація Спектр світла, що виходить від джерела, можна отримати за допомогою вимірювань довжин хвиль. Щоб визначити червоне зміщення, вчені шукають у спектрі такі особливості, як лінії поглинання, лінії випромінювання або інші зміни інтенсивності світла. Якщо ці особливості знайдено, їх можна порівняти з відомими особливостями спектра різних хімічних сполук, виявленими в експериментах, де ця сполука знаходиться на Землі. Дуже поширеним хімічним елементом у космосі є водень . Якщо пропустити безбарвне (біле) світло крізь водень, у спектрі з'явиться характерний для нього малюнок — набір спектральних ліній на певних довжинах хвиль. Ці лінії виникають завжди в тих самих місцях і є «відбитками» атома водню. Якщо у спектрі від далекого джерела спостерігається такий самий характерний набір ліній, але зміщений до більших довжин хвиль, то можна зробити висновок, що там теж є водень, і обчислити червоне зміщення .
Для визначення червоного зміщення об'єкта в такий спосіб потрібен діапазон частот або довжин хвиль. Щоб обчислити червоне зміщення, потрібно знати довжину хвилі випромінюваного світла в системі спокою джерела, тобто довжину хвилі, яку виміряв би спостерігач, що перебуває поруч із джерелом і рухається разом з ним. Оскільки безпосереднє вимірювання в астрономії неможливе через велику відстань до об'єкта, червоне зміщення визначають за допомогою спектральних ліній. Без цієї інформації, тобто якщо спектр містить невпізнані або неідентифіковані особливості, або якщо він є безособливим чи нагадує білий шум (випадкові флуктуації), обчислити червоне зміщення неможливоSee, for example, this 25 May 2004 press release from NASA's Swift 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.». Тому самі гамма-спалахи не можна використовувати для надійного вимірювання червоного зсуву, але оптичне післясвічення, пов'язане зі спалахом, можна проаналізувати для визначення червоного зсуву.
Числова характеристика Червоне зміщення можна схарактеризувати відносною різницею між спостережуваною і випромінюваною довжиною хвилі (або частотою) об'єкта. В астрономії заведено позначати цю зміну безрозмірною величиною . +Розрахунок червоного зсуву, На основі довжини хвиліНа основі частоти де — довжина хвилі, що спостерігається астрономічними інструментами, — довжина хвилі, що насправді випромінюється джерелом (визначається з лабораторних досліджень), а — відповідні частоти (, де — швидкість світла). У випадку якщо частота хвилі що спостерігається є більшою ніж та яка випромінюється джерелом (наприклад, у випадку коли джерело наближається до спостерігача), стає від'ємним і відбувається синій зсув.
Доплерівські червоні зміщення ( > 0) пов'язані з об'єктами, що віддаляються від спостерігача, при цьому енергія світла зменшується. В астрономії вживається одиниця червоного зсуву — відстань, на якій космологічний червоний зсув дорівнює одиниці. Ця відстань становить 1,302773 кілометрів (або 1,302773 метрів), що є найбільшою позасистемною одиницею відстані (понад 4 млрд. парсеків).
Гравітаційний червоний зсув також пов'язаний зі зменшенням енергії світла, що випромінюється джерелом, що перебуває в сильнішому гравітаційному полі, а спостерігається в слабшому гравітаційному полі.
У загальній теорії відносності можна вивести кілька важливих формул для всіх трьох типів червоного зсуву в певних геометріях простору-часу, які підсумовано в наступній таблиці. У всіх випадках величина зсуву (значення ) не залежить від довжини хвиліSee Binney and Merrifeld (1998), Carroll and Ostlie (1996), Kutner (2003) for applications in astronomy..
+Основні формули червоного зсувуТип червоного зсувуГеометріяФормулаWhere 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 tensorРелятивістський ефект ДоплераПростір Мінковського (плоский простір-час)Для руху в радіальному напрямку:
для малих
Для руху в поперечному напрямку:
для малого Космологічний червоний зсувПростір-час Фрідмана — Леметра — Робертсона — Вокера (FLRW) (розширення Всесвіту після Великого Вибуху)
Закон Габбла :
для Гравітаційний червоний зсувбудь-який стаціонарний простір-час
Для геометрії Шварцшильда:
для
У формулюванні другої космічної швидкості:
для
Ефект Доплера
Якщо джерело світла віддаляється від спостерігача, то виникає червоне зміщення (); якщо джерело рухається до спостерігача, то відбувається синє зміщення (). Це справедливо для всіх електромагнітних хвиль і пояснюється ефектом Доплера. Якщо джерело віддаляється від спостерігача зі швидкістю , яка набагато менша за швидкість світла (), червоне зміщення визначається як:
(оскільки ), де — швидкість світла.
Для повнішого розгляду доплерівського червоного зміщення необхідно враховувати релятивістські ефекти, пов'язані з рухом джерел, близьких до швидкості світла. Об'єкти, що рухаються з такою швидкістю, відчуватимуть відхилення від наведеної вище формули через уповільнення часу спеціальної теорії відносності, яке можна виправити, ввівши фактор Лоренца до класичної формули Доплера наступним чином (для руху в радіальному напрямку):
Це явище вперше спостерігалося в експерименті 1938 року, проведеному Гербертом Е. Айвзом і Г. Р. Стілвеллом, який отримав назву .
Оскільки фактор Лоренца залежить лише від модуля швидкості, релятивістське червоне зміщення не залежить від напрямку руху джерела. На відміну від цього, класична частина формули залежить від проєкції руху джерела на радіальний напрямок, що дає різні результати для різних орієнтацій. Якщо — кут між напрямком відносного руху та напрямком випромінювання в системі спостерігача, повна форма релятивістського ефекту Доплера виглядає так:
,
і для руху в радіальному напрямку (), це рівняння зводиться до:
.
Для особливого випадку, коли світло рухається під прямим кутом () до напрямку відносного руху в системі спостерігача, релятивістське червоне зміщення відоме як , а червоне зміщення
вимірюється, навіть якщо об'єкт не віддаляється від спостерігача. Навіть коли джерело рухається до спостерігача, якщо в цьому русі є поперечна складова, то є певна швидкість, при якій розширення просто скасовує очікуване синє зміщення, а при вищій швидкості джерела, що наближається, виникатиме червоне зміщення.
Розширення простору