Красное смещение

Красное смещение (redshift) — увеличение длины волны электромагнитного излучения от далёких космических объектов, вызванное расширением Вселенной. Открыто Эдвином Хабблом в 1929 году. Чем дальше галактика — тем сильнее её свет смещён в красную часть спектра, что описывается законом Хаббла: v = H₀ × d.

Эффект Доплера для света

Когда машина скорой помощи приближается, сирена звучит выше, а когда удаляется — ниже. Это эффект Доплера для звука. Со светом происходит то же самое: если источник удаляется от наблюдателя, волны растягиваются — длина волны увеличивается, свет смещается к красному концу спектра (красное смещение). Если приближается — волны сжимаются, свет смещается к синему (синее смещение).

Астрономы измеряют смещение по спектральным линиям — «отпечаткам пальцев» элементов. Водород в лаборатории излучает линию Lyman-alpha на длине волны 121.6 нм. Если эта же линия в спектре далёкой галактики находится на 243.2 нм — значит, длина волны удвоилась (z = 1), и галактика удаляется с околосветовой скоростью.

Открытие Хаббла: Вселенная расширяется

В 1929 году Эдвин Хаббл, работая с 2.5-метровым телескопом обсерватории Маунт-Вилсон (Калифорния), измерил красное смещение 24 галактик и их расстояния (по цефеидам — звёздам-маякам). Результат поразил: все галактики удалялись от Земли, и чем дальше галактика — тем быстрее она удалялась. Зависимость линейная: v = H₀ × d.

Это означало, что Вселенная расширяется — пространство между галактиками растягивается. Даже Эйнштейн был удивлён: он добавил «космологическую постоянную» в уравнения, чтобы удержать Вселенную статичной, а Хаббл показал, что она динамична. Эйнштейн позже назвал космологическую постоянную своей «величайшей ошибкой».

Закон Хаббла и постоянная H₀

Закон Хаббла: скорость удаления галактики (v) прямо пропорциональна расстоянию до неё (d). Коэффициент пропорциональности — постоянная Хаббла H₀. Современное значение: H₀ ≈ 70 км/с/Мпк (километров в секунду на мегапарсек). Это значит: галактика на расстоянии 1 Мпк (3.26 миллиона световых лет) удаляется со скоростью 70 км/с, на 2 Мпк — 140 км/с, и так далее.

Из H₀ можно вычислить возраст Вселенной: 1/H₀ ≈ 14 миллиардов лет. Точнее — 13.8 миллиарда лет с учётом замедления и ускорения расширения. Однако точное значение H₀ остаётся предметом спора: измерения по цефеидам дают ~73, а по реликтовому излучению ~67.4 — так называемый «кризис постоянной Хаббла» (Hubble tension).

Космологическое красное смещение z

Параметр z определяется как: z = (λ_наблюдаемая − λ_лабораторная) / λ_лабораторная. При z = 0 галактика не удаляется. При z = 1 длина волны удвоилась — галактика удаляется с половиной скорости света. При z = 10 мы видим Вселенную, когда ей было менее 500 миллионов лет.

Самые далёкие объекты, обнаруженные телескопом James Webb (JWST), имеют z > 13 — мы видим их такими, какими они были через 300-400 миллионов лет после Большого взрыва. Реликтовое излучение (CMB) имеет z ≈ 1100 — это «стена» видимой Вселенной, дальше которой свет ещё не успел до нас долететь.