Космологическое красное смещение и расстояние

По мере расширения Вселенной свет от удаленных источников растягивается до более длинных волн, что приводит к космологическому красному смещению, а само понятие расстояния распадается на несколько различных, зависящих от расширения мер.

Definition

Космологическое красное смещение — это увеличение длины волны света на коэффициент, на который вырос масштабный фактор во время его распространения, а космологические расстояния — это зависящие от наблюдателя и метода величины (сопутствующее, фотометрическое, угловое), которые сводятся к единому евклидову расстоянию только в близком пределе с низким красным смещением.

Scope

Эта тема охватывает космологическое красное смещение как растяжение длин волн за счет роста масштабного фактора, его отличие от доплеровского и гравитационного красных смещений, а также семейство мер расстояния — сопутствующее, собственное, фотометрическое и угловое — которые возникают в расширяющемся пространстве-времени, а также то, как каждая из них связана с красным смещением и историей расширения.

Core questions

• Почему космологическое красное смещение не является просто доплеровским смещением?
• Как красное смещение связано с историей расширения Вселенной?
• Почему в космологии существует несколько различных определений расстояния?

Key concepts

• Космологическое красное смещение
• Масштабный фактор при излучении
• Сопутствующее расстояние
• Фотометрическое расстояние
• Угловое расстояние
• Стандартные свечи и линейки

Key theories

Красное смещение от роста масштабного фактора

Наблюдаемая длина волны света растягивается пропорционально тому, насколько вырос масштабный фактор с момента излучения, поэтому красное смещение напрямую измеряет относительное расширение Вселенной между излучением и наблюдением, а не локальную скорость.

Множественные меры расстояния

В расширяющейся Вселенной фотометрическое расстояние (из наблюдаемой яркости) и угловое расстояние (из наблюдаемого размера) отличаются друг от друга и от сопутствующего расстояния, все они связаны через красное смещение и историю расширения, поэтому выводимое расстояние зависит от того, что измеряется.

Clinical relevance

Эти соотношения превращают наблюдения в космологию: измерение яркости сверхновых типа Ia (стандартных свечей) в зависимости от их красного смещения выявляет ускоряющееся расширение, а угловые расстояния до космического микроволнового фона и до особенностей кластеризации галактик ограничивают геометрию и состав Вселенной.

History

Слайфер измерил первые красные смещения галактик в 1910-х годах, а Хаббл в 1929 году объединил красные смещения с оценками расстояний, чтобы выявить линейную зависимость красное смещение-расстояние; понимание этих смещений как космологического расширения, а не обычного движения, последовало из интерпретации общей теории относительности Фридманом-Леметром.

Key figures

• Edwin Hubble
• Georges Lemaitre
• Vesto Slipher

Seminal works

• weinberg2008
• hogg1999

Frequently asked questions

Галактики имеют красное смещение потому, что они удаляются от нас?

В космологических масштабах красное смещение возникает из-за расширения пространства, растягивающего свет во время его распространения, а не из-за движения сквозь пространство; вблизи его можно аппроксимировать как скорость удаления, но при высоком красном смещении интерпретация расширения является существенной, и скорости удаления могут даже превышать c, не нарушая относительности.

Почему более далекий объект в некоторых случаях может казаться больше?

Поскольку угловое расстояние в расширяющейся Вселенной достигает максимума, а затем уменьшается при высоком красном смещении, очень далекие объекты могут занимать больший угол, чем несколько более близкие, что является контринтуитивным эффектом, отсутствующим в повседневной евклидовой геометрии.