การเลื่อนทางแดงเชิงจักรวาลวิทยาและระยะทาง

เมื่อเอกภพขยายตัว แสงจากแหล่งกำเนิดที่อยู่ไกลจะถูกยืดออกไปเป็นความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น ซึ่งเรียกว่าการเลื่อนทางแดงเชิงจักรวาลวิทยา และแนวคิดเรื่องระยะทางจะแยกออกเป็นมาตรวัดหลายแบบที่แตกต่างกัน ซึ่งขึ้นอยู่กับการขยายตัว

Definition

การเลื่อนทางแดงเชิงจักรวาลวิทยาคือการเพิ่มขึ้นของความยาวคลื่นแสงตามปัจจัยที่ตัวประกอบมาตราส่วนได้เติบโตขึ้นระหว่างการเดินทางของแสง และระยะทางเชิงจักรวาลวิทยาเป็นปริมาณที่ขึ้นอยู่กับผู้สังเกตและวิธีการ (ร่วมเคลื่อนที่, ความส่องสว่าง, เชิงมุม) ซึ่งจะลดลงเหลือระยะทางแบบยูคลิดเพียงค่าเดียวเมื่ออยู่ในขีดจำกัดใกล้เคียงที่มีค่าการเลื่อนทางแดงต่ำ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการเลื่อนทางแดงเชิงจักรวาลวิทยาในฐานะการยืดความยาวคลื่นโดยการเติบโตของตัวประกอบมาตราส่วน ความแตกต่างจากการเลื่อนทางแดงแบบดอปเปลอร์และการเลื่อนทางแดงเชิงความโน้มถ่วง และกลุ่มของมาตรวัดระยะทาง ได้แก่ ระยะทางร่วมเคลื่อนที่ (comoving), ระยะทางแท้จริง (proper), ระยะทางเชิงความส่องสว่าง (luminosity) และระยะทางเชิงมุม (angular-diameter) ที่เกิดขึ้นในกาลอวกาศที่กำลังขยายตัว พร้อมทั้งความสัมพันธ์ของแต่ละมาตรวัดกับค่าการเลื่อนทางแดงและประวัติการขยายตัว

Core questions

• เหตุใดการเลื่อนทางแดงเชิงจักรวาลวิทยาจึงไม่ใช่เพียงแค่การเลื่อนแบบดอปเปลอร์?
• การเลื่อนทางแดงเกี่ยวข้องกับประวัติการขยายตัวของเอกภพอย่างไร?
• เหตุใดจึงมีคำจำกัดความของระยะทางหลายแบบในจักรวาลวิทยา?

Key concepts

• การเลื่อนทางแดงเชิงจักรวาลวิทยา
• ตัวประกอบมาตราส่วน ณ เวลาที่ปล่อยแสง
• ระยะทางร่วมเคลื่อนที่
• ระยะทางเชิงความส่องสว่าง
• ระยะทางเชิงมุม
• เทียนมาตรฐานและไม้บรรทัดมาตรฐาน

Key theories

การเลื่อนทางแดงจากการเติบโตของตัวประกอบมาตราส่วน

ความยาวคลื่นของแสงที่สังเกตได้จะถูกยืดออกตามสัดส่วนที่ตัวประกอบมาตราส่วนได้เติบโตขึ้นนับตั้งแต่การปล่อยแสง ดังนั้นการเลื่อนทางแดงจึงวัดการขยายตัวสัมพัทธ์ของเอกภพระหว่างการปล่อยและการสังเกตโดยตรง แทนที่จะเป็นความเร็วเฉพาะที่

มาตรวัดระยะทางหลายแบบ

ในเอกภพที่กำลังขยายตัว ระยะทางเชิงความส่องสว่าง (จากความสว่างที่สังเกตได้) และระยะทางเชิงมุม (จากขนาดที่สังเกตได้) จะแตกต่างกันและแตกต่างจากระยะทางร่วมเคลื่อนที่ ซึ่งทั้งหมดมีความสัมพันธ์กันผ่านค่าการเลื่อนทางแดงและประวัติการขยายตัว ดังนั้นระยะทางที่อนุมานได้จึงขึ้นอยู่กับสิ่งที่วัด

Clinical relevance

ความสัมพันธ์เหล่านี้เปลี่ยนการสังเกตให้เป็นจักรวาลวิทยา: การวัดความสว่างของซูเปอร์โนวาแบบเทียนมาตรฐานเทียบกับค่าการเลื่อนทางแดงของพวกมันเผยให้เห็นการขยายตัวที่เร่งขึ้น และระยะทางเชิงมุมไปยังพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาลและลักษณะการรวมกลุ่มของกาแล็กซีจำกัดรูปทรงเรขาคณิตและองค์ประกอบของเอกภพ

History

สไลเฟอร์วัดค่าการเลื่อนทางแดงของกาแล็กซีครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1910 และฮับเบิลในปี 1929 ได้รวมค่าการเลื่อนทางแดงเข้ากับการประมาณระยะทางเพื่อเปิดเผยความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างการเลื่อนทางแดงกับระยะทาง การทำความเข้าใจการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ว่าเป็นการขยายตัวเชิงจักรวาลวิทยามากกว่าการเคลื่อนที่ปกติเป็นผลมาจากการตีความสัมพัทธภาพทั่วไปของฟรีดมันน์-เลอแมตร์

Key figures

• Edwin Hubble
• Georges Lemaitre
• Vesto Slipher

Seminal works

• weinberg2008
• hogg1999

Frequently asked questions

กาแล็กซีมีการเลื่อนทางแดงเพราะพวกมันเคลื่อนที่ออกจากเราหรือไม่?

ในระดับจักรวาลวิทยา การเลื่อนทางแดงเกิดจากการขยายตัวของอวกาศที่ยืดแสงระหว่างการเดินทาง ไม่ใช่จากการเคลื่อนที่ผ่านอวกาศ ในบริเวณใกล้เคียงสามารถประมาณได้ว่าเป็นความเร็วการถอยห่าง แต่ที่ค่าการเลื่อนทางแดงสูง การตีความการขยายตัวเป็นสิ่งจำเป็น และ 'ความเร็ว' การถอยห่างอาจเกิน c ได้โดยไม่ละเมิดสัมพัทธภาพ

เหตุใดวัตถุที่อยู่ไกลกว่าจึงอาจดูใหญ่ขึ้นในบางกรณี?

เนื่องจากระยะทางเชิงมุมในเอกภพที่กำลังขยายตัวจะถึงจุดสูงสุดแล้วลดลงที่ค่าการเลื่อนทางแดงสูง วัตถุที่อยู่ไกลมากจึงสามารถรองรับมุมที่ใหญ่กว่าวัตถุที่อยู่ใกล้กว่าเล็กน้อยได้ ซึ่งเป็นผลที่ไม่เป็นไปตามสัญชาตญาณที่ไม่มีอยู่ในเรขาคณิตแบบยูคลิดในชีวิตประจำวัน