Кэти Мак - Конец всего. 5 сценариев гибели Вселенной с точки зрения астрофизики

Если вы когда-либо замечали, как меняется звук проезжающей мимо гоночной машины или обращали внимание на изменение тона сирены при ее приближении и удалении, то вы уже знакомы с эффектом Доплера. Доплеровское смещение – это явление, при котором звук становится более высоким по мере приближения издающего его объекта и более низким по мере его удаления. Это связано с изменением частоты воспринимаемого звука вследствие сокращения и увеличения длины звуковой волны. В конце концов, частота зависит от скорости, с которой волны достигают вас. В случае со звуком это волны давления, и более высокая частота характеризуется более высоким звуком.

Оказывается, нечто подобное происходит и со светом. Свету быстро приближающегося к нам источника свойственна более высокая частота, а быстро удаляющегося – более низкая. В случае со световой волной частота определяет цвет, поэтому такой сдвиг воспринимается как изменение цвета. Электромагнитный спектр простирается далеко за пределы видимого, но что касается света, доплеровский сдвиг в сторону более высоких частот называется синим смещением, а сдвиг в сторону более низких частот – красным смещением. При сильном синем смещении видимый свет может восприниматься как гамма-излучение, а при сильном красном смещении – как радиосигнал. Этот феномен является одним из наиболее важных и универсальных инструментов в астрономии, поскольку позволяет нам по одному лишь цвету звезды или галактики определить, приближается она к нам или удаляется.

Разумеется, на практике все немного сложнее. Некоторым звездам и галактикам просто свойствен красноватый цвет. Как же в таком случае понять, является ли какой-то объект красным на самом деле или просто кажется таковым, поскольку удаляется от нас? [28] Иногда мы испытываем похожие трудности при попытке отличить «маленькие» объекты от «удаленных». Ключ в том, что свет представляет собой не одиночную волну с определенными характеристиками, а поток волн разных частот – спектр. Набор спектральных линий в спектре звезды обусловлен светом, поглощаемым или испускаемым различными химическими элементами в составе ее атмосферы. При разложении света с помощью призмы мы видим спектр цветов разной интенсивности, при этом темные линии или промежутки появляются на тех частотах, которые соответствуют свету, поглощенному атомами, содержащимися в атмосфере звезды, из-за чего этому свету так и не удалось достичь нас. В результате мы имеем своеобразный, уникальный для каждого элемента штрихкод из набора линий, который астрономы могут легко распознать. Например, при разложении проходящего сквозь облако водорода света по длинам волн мы увидим характерный гребнеобразный рисунок темных линий. В ходе лабораторных испытаний мы можем выяснить, где именно должны находиться эти линии и каким должен быть их рисунок для того или иного элемента. Если звезда имеет в своем спектре узнаваемую последовательность линий, но располагается она на «неправильных» частотах, это говорит о смещении спектра звезды вследствие ее движения. Если все линии одинаково смещены в сторону более низких частот, то мы имеем дело с красным смещением, которое свидетельствует об удалении звезды. Если каждая линия сдвинута в сторону более высоких частот, речь идет о синем смещении, говорящем о том, что звезда приближается. При этом степень смещения линий позволяет определить скорость движения звезды.

Астрономы достигли больших успехов в проведении подобных измерений. В настоящее время красное и синее смещение представляет собой одну из самых легко измеряемых характеристик любого источника света во Вселенной, при условии, что спектр снят и в нем присутствуют узнаваемые наборы линий. Благодаря этому мы можем понять, как звезды в нашей галактике движутся относительно нас, а также обнаружить небольшое колебание звезды, вызванное вращающейся вокруг нее планетой.

В случае с далекими галактиками красное смещение позволяет нам выяснить не только то, приближаются они к нам или удаляются, и с какой скоростью, но и определить расстояние до них. Каким образом? Дело в том, что вследствие расширения Вселенной пространство между нами и далекой галактикой увеличивается, поэтому, как бы она ни двигалась относительно нас, в целом она будет удаляться. И скорость ее удаления зависит от того, насколько далеко она находится сейчас.