10 необычных огней, появляющихся в небе

Впервые явление сдвига спектральных линий в спектрах звёзд при спектральном анализе было замечено французом И. Физо в 1848 году и он предложил это явление объяснить с помощью эффекта Доплера. Суть явления проста: чем больше смещение в красную сторону в спектрограмме объекта, тем быстрее удаляется от нас объект. Вообще, при удалении свет от объекта «краснеет», а при приближении «сдвигается» в фиолетовую сторону. Красное смещение есть и у целых галактик. Благодаря красному смещению было открыто вращение галактик. С одного края свет от галактики смещается в красную сторону, с другого — в фиолетовую. Соответственно, она вращается! Далёкие галактики имеют большее смещение, нежели близкие, и величина его растёт пропорционально расстоянию. Следовательно, чем дальше галактика — тем быстрее она удаляется от нас. Красное смещение, в соответствии с теорией относительности, рассматривается в концепции расширения пространства. Смещение это также вызвано и расширяющимся пространством, и собственным движением галактик. Объясняется все просто: за время путешествия в космосе света от источника до нас, происходит еще и расширение пространства. Как следствие, расширяется и длина волны от источника во время своего пути. При двукратном расширении пространства, длина волны тоже увеличится вдвое.

Расширение пространства

Красное смещение – индикатор расширения Вселенной. В процессе расширяющегося пространства, галактики увеличивают расстояния между собой, но их координаты остаются прежними.Этот процесс можно уяснить, если представить, что пространство – это резиновый шарик, на который «приклеены» галактики. При её сферичной форме, расстояния между объектами будут расти во всех точках при надувании шарика. Только вот центра, от которого происходит удаление, не будет. Но тогда должны изменяться линейные размеры и внутри Солнечной системы. Из этого следует, что должно изменится и значение эталона длины – метра. Тогда получается, что количество метров до удалённых объектов всегда остаётся прежнее, и возможности для измерения расширения пространства нет.

Астрономы обнаружили квазар с самым высоким красным смещением

Художественное представление квазара. Фото: NASA

Используя телескоп Subaru, астрономы из Тайваня провели спектроскопические наблюдения квазара с высоким красным смещением, обозначенным как PSO J006.1240 + 39.2219. Результаты этих наблюдений, представленные в статье, опубликованной 19 марта на сервере предварительной печати arXiv, позволяют лучше понять природу этого объекта.

Квазары, или квазизвездные объекты (QSO), представляют собой чрезвычайно светящиеся активные галактические ядра (AGN), содержащие сверхмассивные центральные черные дыры с аккреционными дисками. Их красные смещения измеряются по сильным спектральным линиям, которые доминируют в их видимом и ультрафиолетовом спектрах. Все наблюдаемые спектры квазара имеют красные смещения от 0,056 до 7,54.

Астрономы особенно заинтересованы в поиске новых квазаров с большими красными смещениями, поскольку они являются наиболее яркими и самыми отдаленными компактными объектами в наблюдаемой Вселенной. Спектры таких QSO могут быть использованы для оценки массы сверхмассивных черных дыр, которые ограничивают модели эволюции и формирования квазаров. Поэтому квазары с высоким красным смещением могут служить мощным инструментом для исследования ранней Вселенной.

Команда астрономов во главе с Тин-И Лу из Национального университета Цин Хуа в Синьчжу, Тайвань, недавно изучила одну из таких QSO с высоким красным смещением, известную как PSO J006.1240 + 39.2219. При красном смещении 6,62 этот квазар имеет самое высокое смещение, известное на сегодняшний день. Команда Лу получила глубокий оптический спектр этого квазара с помощью телескопа Subaru на Гавайях.

В целом, основываясь на этом спектре среднего разрешения, исследователи провели абсорбционные тесты, чтобы понять космическую реионизацию — основное изменение фазы Вселенной. PSO J006.1240 + 39.2219, как и многие другие квазары с высоким красным смещением, используются в качестве зонда для определения окончания реионизации, и новое исследование обнаружило внезапное изменение передачи альфа-Лаймана при красном смещении между 5,75 и 5,86.

Кроме того, астрономы выполнили статистику темных промежутков, чтобы исследовать тонкое изменение структуры в спектре PSO J006.1240 + 39.2219. Они обнаружили, что ширина щели увеличивается с увеличением красных смещений, в частности, они наблюдали значительное увеличение ширины щели, которое было выявлено при красных смещениях выше 6,0. Эти результаты предполагают более нейтральную Вселенную при более высоких красных смещениях, но для того, чтобы сделать окончательные выводы, требуется больше исследований темных промежутков при красных смещениях выше 5,5.

После сравнения результатов с предыдущими исследованиями, ученые пришли к выводу, что ширина зазора несколько меньше, чем в других работах. Они также требуют более детальных спектроскопических наблюдений за QSO с высоким красным смещением, чтобы получить их спектры. Это может иметь решающее значение для улучшения нашего понимания истории реионизации и ранней эволюции ионизирующих источников.

Красное смещение и квазары

Х. Арп, один из первооткрывателей квазаров, предполагает, что эти объекты обладают собственным, внутренним, красным смещением. Оно не зависит от удаления объекта. Квазары-достаточно маленькие объекты в космических масштабах. Но если красные смещения верны в свете закона Хаббла, то и расстояния до них, и их массы, да и скорости их удаления будут иметь громадные величины.

Скорости у квазаров, удалённых от нас на миллиарды световых лет, могут достигать десятков тысяч км/сек. Красное смещение объекта 3С48 показывает, что его скорость составляет около половины скорости света, а расстояние до него – 3,78 млрд. световых лет. А квазар 3С196 вообще побил все рекорды: его удаление – 12 млрд. световых лет, а скорость почти 200 тысяч км/сек!

Наиболее яркие квазары

Квазары с наибольшей светимостью

«Старение» света

Некоторые астрономы подвергают сомнению теорию красного смещения, вернее, вывода, что его природа заставляет галактики обязательно разбегаться, да ещё с фантастическими скоростями. Была выдвинута идея, что свет, из-за чрезвычайно долгого путешествия сквозь разреженный газ межгалактического пространства, краснеет. Это происходит из-за потери спектром коротких волн, и туманности становятся краснее, хотя линии спектра не смещаются. Но красное смещение подразумевает именно этот процесс. Возможно, свет, бесконечно долго путешествуя во Вселенной, теряет часть своей энергии. Из-за этого происходит удлинение волн, порождающее красное смещение, но не связанное с разбеганием галактик. Однако, эта теория ещё не нашла подтверждения, никто еще не смог доказать, что свет каким-либо образом может терять энергию. Да и куда эта энергия девается — большой вопрос. На примере квазаров видно: чем они дальше от нас, тем больше их красное смещение, и как говорилось, соответственно, больше их скорость удаления.

NGC 4319 и Маркарян-205

Первый пример в вызове Арпа — связанная пара объектов NGC 4319 и Markarian 205.

Доктор Арп показал в своей книге «Квазары, красные смещения и дискуссии», что имеется физическая связь между спиральной галактикой NGC 4319 и квазаром подобным объекту Маркарян-205. Эта связь между двумя объектами, которые имеют значительно различные значения красного смещения. Господствующие астрономы отрицают существование этой физической связи. Они утверждают, чтобы эти два объекта не близки друг другу, они просто совпадают по углу зрения.

4 апреля, 2002 года астроном — любитель Джон Смит из Долины Оро получил изображение этих двух объектов. Автор этих страниц отцифровал их для того, чтобы показать контуры изофот. Этот результат показан ниже. Изофоты в центральном сечении 4319 говорят, что галактика — действительно спираль с баром. Также главные рукава, кажется, отрываются в их сочленениях. Оба из эти наблюдения были сначала отмечены Арпом и заявлены также в его книге.

Это изображение было получено использованием квантования по уровням (ступенчатые серые кривые сделаны в программе Picture Window Pro 3.1 с использоанием инструмента «Edge tool». Обратите внимание, что только

изофоты Маркарян 205 протянуты назад к NGC 4319. Ни один из других объектов поблизости от 4319 не искажен таким образом.

Затем, 7 октября 2002 года в «Астрономической картине дня» было помещено изображение с Космического телескопа Хаббла тех же самых объектлв. Ориентация их различна. После обработки этого изображения HST таким же образом как вышеупомянутое любительское изображение, была получена следующая картинка:

(a) (b)

Обратите внимание, в увеличенном представлении изофот (b) имеется дисперсия формы внутренних изофот Маркарян 205 назад к NGC 4319. Имеется также ряд вторичных масс в пределах Маркарян 205 на линии, соединяющей 4319 и центр Маркарян 205. Но ученые НАСА не хотят видеть какой-либо связи между этими двумя объектами.»

Официальное объяснение НАСА по поводу этих изображений таково:

«Видимое может обманывать. В этом изображении космического телескопа Хаббл НАСА, случайное совпадение двух астрономических объектов: спиральной галактики NGC 4319 [в сцентре] и квазара по имени Markarian 205 [вверху справа], который кажется соседним. В действительности, оба объекта не находятся даже в одной эпохе. Они разделены во времени и пространстве. NGC 4319 находится в 80 миллионах световых лет от Земли. Markarian 205 (Mrk 205) — более чем 14 раз дальше, то есть находится в 1 миллиарде световых лет от Земли. Очевидное близкое выравнивание Mrk 205 и NGC 4319 — просто случайность.»
Профессиональные астрономы, кажется, настолько очарованы теорией «красное смещение равно расстоянию», что она повреждает их зрение.

Войти на сайт

Недавно в youtube были опубликованы ответы выдающегося астрнома-наблюдателя Ольги Сильченко на вопросы читателей «Черная дыра и галактики» (https://www.youtube.com/watch?v=_Gw7c0ZfEtM). Вот его фрагмент:

Ведущая: — Почему квазары чаще находят на красном смещении 2? О. Сильченко: — Считается, что это золотой век нашей Вселенной.

Ответ показался мне странным. Да, по большому счёту, это вовсе и не ответ на вопрос. Поэтому я решила сама ответить на вопрос «Почему квазары чаще находят на красном смещении 2?»

Чтобы при ответе не распыляться на второстепенные детали, я предварительно опубликовала три темы:

1. Светящиеся осьминоги и парадокс Ольберса; 2. Местная группа галактик; 3. Тусклые ультра-диффузные галактики.

Тема 1 должна была донести до читателя, что из-за запылённости космоса все галактики на достаточно большом расстоянии становятся невидимыми. Естественно, первыми исчезают из виду малые галактики.

Тема 2 должна была на примере Местной группы галактик объяснить читателям, что крупные галактики (спиральные и эллиптические) составляют чуть больше 2%. Остальные — это галактики малых масс и светимостей.

Тема 3 должна была подтвердить выводы темы 2.

После этого я смогла приступить к ответу на вопрос, так почему же квазары чаще находят на красном смещении 2.

Сегодня уже считается общепризнанным, что квазары – это активные ядра галактик. Причём активность ядра галактики вызывается и поддерживается падением (аккрецией) межгалактического вещества на ядро галактики. Межгалактическое вещество состоит преимущественно из газа. Падение газа начинается с расстояния в полтора-два раза превосходящего радиус галактики и идёт, непрерывно ускоряясь до релятивистских скоростей в глубоких слоях галактики. При этом, аккрецирующий газ излучает. В начале падения его излучение много слабее излучения звёзд. Но по мере приближения к центру галактики, интенсивность излучения аккрецирующего газа сперва приближается к интенсивности звёздного излучения, а затем и значительно превосходит её.

Газ падает на галактику одинаково со всех сторон. По этой причине, с какой бы стороны наблюдатель ни смотрел на галактику, он увидит удаляющийся аккрецирующий газ. Значит, для наблюдателя излучение аккрецирующего газа всегда будет смещено в красную сторону. Причём, наблюдатель может зафиксировать в спектре излучение не из всей галактики, а только из тонкого сферического слоя (рис.1).

Рис. 1

Причина этого явления объясняется тем, что из-за фона ночного неба внешние части галактики стали невидимыми, а излучение из более глубоких областей галактики размазывается по спектру из-за слишком больших скоростей и ускорений аккрецирующего газа.

Расстояние от центра галактики до излучающего слоя называется эмиссионным радиусом галактики, оно равно

(1)

Эмиссионному слою соответствует красное смещение

(2)

Именно zem наблюдатели принимают за красное смещение удаляющейся галактики. Хотя, от наблюдателя удаляется не галактика, а падающий на её ядро газ.

Из (2) следует, что красное смещение зависит не только от расстояния r до галактики , как в формуле Хаббла, но и от массы галактики М. Именно этот факт и позволяет объяснить, почему квазары чаще находят на красном смещении z = 2.

График зависимости числа квазаров от величины их красного смещения показан на рис.2. Для построения графика была использована база данных по 23760 квазарам (https://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/6243.html ).

Рис.2

Как видно из графика, вначале с ростом красного смещения z число квазаров растет, достигая максимума при значении красного смещения z ~ 2, после чего с ростом z начинает убывать. Для этого явления теорией Большого взрыва было предложено множество всевозможных объяснений, по большей части фантастических – квазар представляет собой колоссальное скопление нейтрино, квазар – центр катастрофически сжимающейся галактики, и ряд других. Было предложено и такое объяснение: срок жизни квазаров невелик, квазары, которые мы видим, стали квазарами лишь недавно, а основная масса квазаров уже угасла. Но такому представлению противоречат наблюдения квазаров с большими красными смещениями. Недавно открытый квазар ULAS J1120 +0641, имеет красное смещение 7,085. Согласно теории Большого взрыва он образовался через 770 миллионов лет после Большого Взрыва. Попытка объяснить образование квазара в столь ранний период опять приводит к противоречию, теперь уже со стандартной моделью. Одним словом, при попытках объяснить свойства графика 2, теория Большого взрыва зашла в тупик.

Выход из тупика находится легко, если вспомнить, что квазары это просто галактики. Основная масса галактик – это галактики с малыми массами. Красное смещение галактики зависит не только от расстояния до галактики, но и от массы галактики: чем меньше масса, тем больше будет красное смещение для того же расстояния r. При обзоре неба с увеличением параметра r увеличивается количество галактик, попавших в поле зрения. Соответственно, до значения z=2 происходит возрастание числа квазаров при возрастании расстояния r. Рост происходит в основном за счёт галактик малых масс. Но малые галактики с увеличением расстояния r быстро переходят в ненаблюдаемое состояние, так как их блеск становится слабее флуктуаций фона ночного неба. При z ~ 2 происходит полное исчерпание слабых галактик как источника квазаров и в качестве квазаров начинают выступать галактики больших масс. Причём, чем больше масса, тем такие галактики встречаются реже. Этим объясняется резкий спад кривой при z > 2.

Замечание. Известно, что расстояние до близких галактик находят по тёмным линиям поглощения в их спектрах. Считается, что этот факт опровергает аккреционно-фоновое происхождение красного смещения галактик. Но это не так.

Из формулы (1) следует, что при уменьшении расстояния r до галактики эмиссионный радиус Rem увеличивается. Критическое расстояние rкр – это такое расстояние, когда эмиссионный радиус равен радиусу основной излучающей части галактики. При расстоянии до галактики меньшем критического расстояния rкр, эмиссионный радиус становится больше радиуса основной излучающей части галактики (рис. 3).

Рис. 3

В этом случае внутри эмиссионной сферы оказывается мощный источник непрерывного излучения в виде совокупности излучающих звезд галактики. При этом мощность излучения звезд больше мощности излучения аккрецирующего газа (в начале падения газ излучает слабо). Из-за этого на фотографии возникнет спектр поглощения. Причем линии поглощения «садятся» на непрерывный спектр в области «эмиссионной» сферы, т.е. получается та самая картина, которая объясняет все свойства спектров поглощения близких галактик.

Измерение[ | ]

Красное смещение High-redshift galaxy candidates in the Hubble Ultra Deep Field 2012[14]
Если получен спектр объекта, то его красное смещение легче всего измерять по спектральным особенностям, таким, как линии поглощения или испускания. Затем нужно определить, какому элементу соответствуют найденные линии, и, следовательно, их лабораторную длину волны (или частоту)[15]. Безразмерная величина z

может определяться следующим образом[16]:
Вычисление z {\displaystyle z}

Изменение длины волны пропорционально самой длине волны, то есть, для всего спектра z

постоянна. Величина
z
положительна при красном смещении и отрицательна при синем.

Зеленый свет

В последние несколько секунд перед заходом Солнца его свет может стать ярко-зеленым. Но Солнце не меняет цвет: этот свет вызывается миражем.

Атмосфера расщепляет белый свет Солнца на отдельные цвета, подобно призме: красный изгибает сильнее, чем оранжевый, оранжевый сильнее, чем желтый, и так далее. Поскольку красный подвергается самому сильному искривлению, он, кажется, первым уходит за горизонт, за ним следуют оранжевый, желтый и зеленый.

Цвета после зеленого — голубой, синий и фиолетовый — сильно рассеиваются газами в атмосфере. Поэтому небо оказывается синим. И поэтому последний цвет, который можно увидеть, когда Солнце уходит за горизонт, это зеленый.

Обычно этот эффект очень слабый. Чтобы последние зеленые лучи были видимы, должен также появиться мираж, из-за которого Солнце кажется больше, чем обычно. Эти миражи также могут заставить Солнце двигаться в мерцающих волнах, пока оно почти жидкое будет выливаться за горизонт.

Горизонт океана чаще всего производит лучшие миражи для наблюдения зеленого света.

Наблюдение красного смещения[ | ]

Каждый химический элемент поглощает или излучает электромагнитные волны на строго определённых частотах. Поэтому каждый химический элемент образует в спектре неповторимую картину из линий, используемую в спектральном анализе. В результате слабой диффузии, эффекта Доплера, эффектов ОТО, частота излучения от удалённых объектов, например, звёзд, может изменяться (понижаться или повышаться), а линии соответственно будут смещаться в красную (длинноволновую) или синюю (коротковолновую) часть спектра, сохраняя, однако, своё неповторимое относительное расположение. Смещение линий в красную сторону (обусловленное удалением объекта) и называется «красным смещением».

Теория красного смещения[ | ]

В обоих случаях (Доплеровского эффекта или эффектов ОТО) параметр смещения z

определяется как:
z = λ − λ 0 λ 0 , {\displaystyle z={\lambda -\lambda _{0} \over \lambda _{0}},} [1]
где λ {\displaystyle \lambda } и λ 0 {\displaystyle \lambda _{0}} — значения длины волны в точках наблюдения и испускания излучения соответственно.

Доплеровское смещение длины волны в спектре источника, движущегося с лучевой скоростью v r {\displaystyle v_{r}} и полной скоростью v {\displaystyle v} , равно

z D = 1 + v r / c 1 − ( v / c ) 2 − 1. {\displaystyle z_{D}={\frac {1+v_{r}/c}{\sqrt {1-(v/c)^{2}}}}-1.}

Гравитационное красное смещение было предсказано А. Эйнштейном (1911) при разработке общей теории относительности (ОТО). В линейном относительно гравитационного потенциала приближении

z G = V − V 0 c 2 , {\displaystyle z_{G}={\frac {V-V_{0}}{c^{2}}},}

где V {\displaystyle V} и V 0 {\displaystyle V_{0}} — значения гравитационного потенциала в точках наблюдения и излучения соответственно. z G > 0 {\displaystyle z_{G}>0} в том случае, когда в точке наблюдения потенциал больше (а модуль его меньше, так как потенциал — величина отрицательная).

Для массивных компактных объектов с сильным полем тяготения (например, нейтронных звёзд и чёрных дыр) следует пользоваться точными формулами. В частности, гравитационное красное смещение в спектре сферического тела массой M {\displaystyle M} и радиусом R > R G = 2 G M c 2 {\displaystyle R>R_{G}={\frac {2GM}{c^{2}}}} (где R G {\displaystyle R_{G}} — гравитационный радиус, G {\displaystyle G} — гравитационная постоянная) определяется выражением

z G = ( 1 − R G R ) − 1 2 − 1. {\displaystyle z_{G}=\left(1-{\frac {R_{G}}{R}}\right)^{-{\frac {1}{2}}}-1.}