Эффект Доплера и красное смещение

В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл, изучая спектры галактик, установил, что линии поглощения в этих спектрах существенно смещены по длине волны в красную сторону (в направлении более длинных волн по сравнению состандартными лабораторными спектрами). Этот эффект, названный красным смещением в спектрах далеких галактик, объясняется на основании эффекта Доплера как следствие удаления галактик друг от друга.

Эффект Доплера состоит в том, что если источник излучения движется относительно приемника излучения со скоростью \(\upsilon\), то вместо излучения на длине волны \(\lambda_{0}\) приемник регистрирует излучение с длиной волны \(\lambda\), так, что выполняется соотношение \[(\lambda - \lambda_{0}) / \lambda_{0} = \upsilon/c,\] где \(\upsilon\) - скорость источника относительно приемника, \(c\) - скорость света. Длина волны увеличивается, если источник удаляется от приемника, и соответственно уменьшается при их сближении.

Хаббл установил, что скорости удаления далеких галактик \(\upsilon\) пропорциональны расстояниям до них - \(r\). Коэффициент пропорциональности был назван впоследствии постоянной Хаббла - \(H\). Эта закономерность получила название закона Хаббла: \[\upsilon = H ⋅ r.\]

Обычно космические расстояния измеряют в парсеках (1 пк = 3,26 св. г.), мегапарсеках (Мпк), скорость удаления галактики - в км/с, тогда \(H\) составляет примерно 75 (км/с)/Мпк.

Разбегание галактик может быть объяснено расширением всей Вселенной. Таким образом, наблюдения Хаббла впервые установили ее нестационарность.

Незадолго до открытия Хаббла, в 1922 г., российский ученый Александр Фридман, работавший в то время в Ленинграде, теоретически показал невозможность существования стационарной Вселенной и рассчитал возможные варианты ее эволюции, которые сейчас называют моделями Фридмана. Согласно этим моделям, если средняя плотность Вселенной превосходит некоторое критическое значение 10-29 г/см3, то через некоторое время под действием гравитации начнется процесс сближения галактик и схлопывания Вселенной. Если средняя плотность Вселенной меньше критической, то ее ожидает бесконечное расширение. И только в случае равенства средней плотности вещества Вселенной и критической плотности расширение Вселенной через какое-то время замедлится и остановится.

Появились модели Вселенной, объясняющие ее расширение действием так называемого физического вакуума, важнейшим свойством которого является антигравитация.

Вселенная согласно современным представлениям не стационарна, она эволюционирует. Наблюдается ускоренное расширение Вселенной. Химические элементы синтезировались в ходе эволюции Вселенной и космических объектов, прежде всего звезд.

Читать далее