Ну вот мы и добрались до главной части ликбеза про измерение расстояний в астрофизике. Для легкой разминки мозгов, советую освежить в памяти наши рассуждения о свете, спектре и волнах на прошлой неделе (туть) — нам это сегодня понадобится.
Итак, у вас есть телескоп с присобаченным к нему спектрографом, и вы решили рассмотреть какую-нибудь очень далекую галактику. С помощью спектрографа вы получили и записали спектр этой галактики, который показал вам кучу разных линий поглощения/излучения на разных длинах волн. (см. картинку 2)
— Ну, и что это? Палочки какие-то..ходят туды-сюды.., - скажите вы..
— Но! Что-то уж больно знакомое есть в этой кривой!
Со времен Кирхгофа и Бунзена физики научились получать спектры различных веществ, получили их спектры и записали длины волн, на которых находятся линии поглощения или излучения (ликбез часть 2.1 туть). Уж больно похожи эти линии в полученном спектре галактики, на те, что записаны в лабораторных справочниках на Земле. Но, есть нюанс — в спектре они сдвинуты «вправо» относительно длин волн, записанных в лаборатории! Если долго подбирать величину такого сдвига, то в какой-то момент можно
— Но в чем причина этого сдвига?
Спойлер одного из будущих #ликбезов: Вселенная расширяется.
Это расширение ответственно за сдвиг всех наблюдаемых спектров внегалактических объектов. Как вы уже догадались, в астрономии этот сдвиг именуется как «космологическое красное смещение» (или cosmological redshift на буржуйском). Поскольку Вселенная расширяется, расстояния между галактиками увеличиваются, и мы наблюдаем этот процесс как «разлет» галактик друг от друга. Из-за этого, ДЛЯ СТОРОННЕГО НАБЛЮДАТЕЛЯ (вроде нас с вами), длина волны фотона, испущенного звездой в далекой галактике, «растягивается» — становится больше и смещается в более красную область спектра (см. видео). Если бы Вселенная, наоборот, схлопывалась, мы бы видели «голубое смещение» — длины волн фотоном уменьшались бы..
Мысленный эксперимент для углубления глубин понимания.
Возьмите резинку от своих трусов — она будет вашей игрушечной Вселенной. Затем, нарисуйте на резинке волну — это ваш игрушечный фотон. Возьмите один конец резинки-Вселенной, а другой отдайте жертве другому человеку и начните ее растягивать. Вы увидите как длина нарисованной вами волны-фотона начнет увеличиваться — космологическое красное смещение на пальцах.
Фишка в том, что обладая моделью расширяющейся Вселенной, можно легко (ну, относительно) вывести зависимость красного смещения от расстояния до объекта. Такая теория у нас есть — ΛCDM (Lambda-Cold-Dark-Matter) — в простонародье теория Большого Взрыва (но
Поэтому, например, если по спектру галактики мы определим красное смещение равно z=3.0, то, как говорилось в учебниках по теорфизике Ландау и Лифшица, «легко показать что» эта галактика находится от нас на расстоянии 11,5 миллиардов световых лет (свет шел до нас 11,5 млрд лет), что примерно 10^23 км, если я все правильно посчитал. 😉
P.S. заглавная картинка веселая, но ее делал двоечник, так как царя свергли не большевики, а «лучшие либеральные умы» той эпохи.. Но об этом в другой раз.