წითელი წანაცვლება

წითელი წანაცვლება

წითელი წანაცვლება — ელექტრომაგნიტური გამოსხივებაში ტალღების სიხშირის შემცირება; დოპლერის ეფექტის კერძო შეემთხვევა. სახელწოდება ასახავს იმას, რომ სპექტრის ხილულ უბანში განლაგებული ხაზები, ამ უბნის წითელი ბოლოსკენ წვანაცვლდებიან; ეს ეფექტი ტალღის სიგრძძეთა სხვა დიაპაზონებშიც ვლინდება სააპირისპირო მოვლენას — გამოსხივების სიხშიარის ზრდას — ლურჯ წანაცვლებას უწოდებენ. ტერმინ „წითელ წანაცვლებაში“ უმეტესად გულისხმობენ კოსმოლოგიურ ან გრავიტაციულ წითელ წანაცვლებას.

კვლევის ისტორია

კოსმოლოგიური ანუ მეტაგალაქტიკური წითელი წანაცვლება შეიმჩნევა ყველა შორეული წყაროს სპექტრში (გალაქტიკებში, კვაზარებში), რაც იმაზე მეტყველებს, რომ ეს წყაროები განუწყვეტლივ შორდებიან ერთმანეთს და, კერძოდ, დედამიწასაც, ანუ ჩვენს გალაქტიკას, მაშასადამე, მეტაგალაქტიკა არასტაციონარულია, სახელდობრ, ფართოვდება. გალაქტიკებისათვის წითელი წანაცვლება 1912-1914 წლებში აღმოაჩინა ამერიკელმა ასტრონომმა ვ. სლაიფერმა, 1920 წელს კი ე. ჰაბლმა შეამჩნია, რომ შორი გალაქტიკების წითელი წანაცვლება ახლო გალაქტიკებისაზე მეტია, ე. ი. გალაქტიკათა სხივური სიჩქარეები მათი მანძილების პროპორციულია (ე. წ. ჰაბლის კანონი). ცდილობდნენ წითელი წანაცვლება აეხსნათ სხვადასხვა ეფექტით, მაგალითად, კვანტების დაშლით მათი გავრცელებისას, რაც მილიონობით წელიწადს გრძელდება, ვიდრე დედამიწამდე მოაღწევდეს. მაგრამ ის ფაქტი, რომ ეფექტი თვისებრივად და რაოდენობრივად სპექტრის ყველა უბანში ერთნაირია, მოწმობს მის ნამდვილად დოპლერისეულ ბუნებას, სახელდობრ, სიხშირის ფარდობითი ცვლილება $z={\frac {\nu -\nu _{0}}{\nu _{0}}}$ [$\nu _{0}$ რომელიმე ხაზის ეტალონური სიხშირეა, $\nu$ კი — მიმღებით რეგისტრირებული სიხშირე, $\nu <\nu _{0}$] მოცემული წყაროსთვის ერთი და იგივეა სპექტრის ნებისმიერ ადგილზე. ეს კი დოპლერის ეფექტს ახასიათებს.

მოვლენის აღწერა

წითელი წანაცვლება იწვევს ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ტალღის სიგრძის ზრდას. წითელი წანაცვლების ყველაზე შესამჩნევი გამოვლინებაა წყაროს სპექტრის ხაზებისა და სხვა მახასიათებლების გადატანა უფრო გრძელი ტალღის სიგრძისკენ — მაგალითად, ხილული სინათლისთვის, სპექტრის წითელი ბოლოსკენ.

ტალღის სიგრძის ცვლილება თავად ტალღის სიგრძის პროპორციულია, ამიტომ მისი რაოდენობრივად აღსაწერად, მართებულია ფორმულა

$z={\frac {\lambda _{0}-\lambda }{\lambda }},$

სადაც $\lambda _{0}$ არის დაკვირვებადი ტალღის სიგრძე, $\lambda$ — გამოსხივებული ტალღის სიგრძე, რომელსაც ასევე ლაბორატორიულ ტალღის სიგრძეს უწოდებენ. სიდიდე $z$ არის უგანზომილებო და მას ასევე წითელი წანაცვლება ეწოდება. თუ $z<0,$ მაშინ დაკვირვებული ტალღის სიგრძეები ლაბორატორიულ ტალღის სიგრძეებზე მოკლეა და შეინიშნება ლურჯი წანაცვლება, წითელი წანაცვლების ნაცვლად.

ანალოგიურად, $z$ შეიძლება გამოისახოს სიხშირეების სახით. თუ $\nu$ არის ლაბორატორიული სიხშირე და $\nu _{0}$ არის დაკვირვებული სიხშირე:

$z={\frac {\nu -\nu _{0}}{\nu _{0}}}.$

დადებითი $z$-სთვის, ფოტონის ტალღის სიგრძე იზრდება და სიხშირე მცირდება, შესაბამისად, ენერგია მცირდება. უარყოფითი $z$-სთვის, ენერგია იზრდება. ვინაიდან ფოტონის ენერგიაა $E=h\nu ,$ სადაც $h$ არის პლანკის მუდმივა, $z$ წითელი წანაცვლებისას მისი ენერგია იცვლება ${\textstyle {\frac {1}{1+z}}}$ ფაქტორით საწყისთან მიმართებაში.

წითელი წანაცვლება ზოგჯერ გამოიყენება იმ ფენომენების აღსანიშნავად, რომლებიც სხვადასხვაგვარად ვლინდება, მაგრამ ასევე იწვევს სინათლის ხილულ გაწითლებას.

მყარი სხეულის ფიზიკაში, წითელი წანაცვლება ან ლურჯი წანაცვლება ეხება გამოსხივების ტალღის სიგრძის შესაბამის ცვლილებას საცნობარო ტალღის სიგრძესთან მიმართებაში — ტალღის სიგრძე, რომელიც აღებულია საწყის წერტილად. წითელი წანაცვლება (ლურჯი წანაცვლება) მრავალი მიზეზის გამოა; კერძოდ, ოქროს ნანონაწილაკების კოლოიდში ლოკალიზებული ზედაპირული პლაზმონური რეზონანსის სიხშირის წანაცვლება შეიძლება გამოწვეული იყოს გარე წნევით.

კოსმოლოგიური წითელი წანაცვლება

ფარდობითობის თეორიაში დოპლერის წითელი წანაცვლება, განიხილება როგორც მოძრავ ათვლის სისტემაში დროის დინების შენელების შედეგი (ფარდობითობის სპეციალური თეორიის ეფექტი). თუ წყაროს სისტემის სიჩქარე მიმღების სისტემის მიმართ არის v (მეტაგალაქტიკური წითელი წანაცვლების დროს v სხივური სიჩქარეა), მაშინ $z={\sqrt {\frac {v+c}{c-v}}}-1$ ($c$ სინათლის სიჩქარეა ვაკუუმში) და დანაკვირი წითელი წანაცვლების მიხედვით ადვილად განვსაზღვრავთ წყაროს სხივურ სიჩქარეს:

$v=c{\frac {(1+z)^{2}-1}{(1+z)^{2}+1}}$

ამ განტოლებიდან გამომდინარეობს, რომ, როცა $z\rightarrow \infty$, მაშინ $v$ სიჩქარე უახლოვდება სინათლის სიჩქარეს ისე, რომ ყოველთვის მასზე ნაკლები რჩება $(v<0)$. ისეთი სიჩქარეების დროს, რომლებიც გაცილებით ნაკლებია სინათლის $c$ სიჩქარეზე $(v\ll c)$, ფორმულა მარტივდება: $v\approx cz$. ჰაბლის კანონი ამ შემთხვევაში ჩაიწერება ასე: $v=cz=Hr$ ($r$ არის მანძილი, $H$ — ჰაბლის მუდმივა). $H$ სიდიდის საშუალებით მანძილის განსაზღვრა შეიძლება შორეულ წყაროებამდე. XX საუკუნის 50-იან წლებამდე $H$-ს არაზუსტად საზღვრავდნენ. ამჟამად მიღებულია, რომ $H=(53\pm 5)$ (კმ/წმ)/მეგპს. აქედან $1/H=18$ მლრდ. წელს, რაც მეტაგალაქტიკის დაახლოებით ასაკს შეესაბამება. გალაქტიკების დიდი უმრავლესობის წითელი წანაცვლება $x\approx 0.2$, რაც შეესაბამება $v=60000$ კმ/წმ სხივურ სიჩქარეებს და $r\approx 1$ მლრდ. პს მანძილებს; ბოლო წლებში აღმოაჩინეს გალაქტიკები, რომელთა $z>1$ (მაგალითად 3C 324-ის წითელი წანაცვლება 1.21-ია). კვაზარები კი საზოგადოდ უფრო შორსაა და ახასიათებთ წითელი წანაცვლება $z=3.8$-მდე და მეტი. ამიტომ შორი კვაზარებისთვის $v\approx 275000$ კმ/წმ, ამასთან თავს იჩენს დრო-სივრცის სიმრუდის ეფექტი, ამიტომ მანძილების ცალსახა განსაზღვრა ძნელდება.

გრავიტაციული წითელი წანაცვლება

გრავიტაციული წითელი წანაცვლება დროის ტემპის შენელების შედეგია და განპირობებულია გრავიტაციული ველით (ფარდობითობის ზოგადი თეორიის ეფექტი). ეს მოვლენა (მას დოპლერის განზოგადებულ ეფექტს ან აინშტაინის ეფექტს უწოდებენ) იწინასწარმეტყველა ა. აინშტაინმა (1911). 1919 წლიდან დაწყებული, წითელი წანაცვლება პირველად შეიმჩნეოდა მზის, შემდეგ კი სხვა ვარსკვლავების გამოსხივებაშიც გრავიტაციულ წითელი წანაცვლებას ახასიათებენ პირობითი $v$ სიჩქარით, რომელსაც ფორმალურად ისეთივე ფორმულებით გამოითვლიან, როგორითაც – კოსმოლოგიურ წითელი წანაცვლებას. პირობითი სიჩქარის მნიშვნელობებია: მზისთვის $v\approx 0.6$ კმ/წმ, მკვრივი ვარსკელავის სირიუს B-თვის $v\approx 20$ კმ/წმ. მესბაუერის ეფექტის გამოყენებით 1959 წელს პირველად მოხერხდა გაზომვა დედამიწის გრავიტაციული ველით განპირობებული წითელი წანაცვლებისა, რომელიც ძალიან მცირეა, $v=7.5\cdot 10^{-5}$ სმ/წმ.

დაკვირვება წითელ წანაცვლებაზე

ყოველი ქიმიური ელემენტი შთანთქავს ან ასხივებს ელექტრომაგნიტურ ტალღას მკაცრად გარკვეულ სიხშირეზე. ამიტომ ყოველი ქიმიური ელემენტი სპექტრში ქმნის განუმეორებელ სურათს, რომელიც სპექტრალური ანალიზის დროს გამოიყენება. ასე რომ დოპლერის ეფექტის და/ან ფარდობითობის ზოგადი თეორიისას დაშორებული ობიექტების, მაგალითად ვარსკვლავების, გამოსხივების სიხშირე შეიძლება შეიცვალოს (მოიმატოს ან შემცირდეს), და ზოლები შესაბამისად იქნება დაძრული სპექტრის წითელ (გრძელტალღიან) ან იისფერ (მოკლეტალღიან) მხარეს, თავისი განუმეორებელი ფარდობითი მდებარეობის შენახვით. ზუსტად ზოლების ძვრას წითელ მხარეს (ჩვენს მიმართ ობიექტეის დაშორებით გამოვლენილი) უწოდებენ „წითელ წანაცვლებას“.

ლიტერატურა

• ქართული საბჭოთა ენციკლოპედია, ტ. 11, თბ., 1987. — გვ. 319.
• Odenwald, S. & Fienberg, RT. 1993; "Galaxy Redshifts Reconsidered" in Sky & Telescope Feb. 2003; pp31–35 (This article is useful further reading in distinguishing between the 3 types of redshift and their causes.)
• Lineweaver, Charles H. and Tamara M. Davis, "Misconceptions about the Big Bang", Scientific American, March 2005. (This article is useful for explaining the cosmological redshift mechanism as well as clearing up misconceptions regarding the physics of the expansion of space.)
• Nussbaumer, Harry (2009). Discovering the Expanding Universe. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-51484-2. 
• Binney, James; Merrifeld, Michael (1998) Galactic Astronomy. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-02565-0. 
• Carroll, Bradley W.; Ostlie, Dale A. (1996) An Introduction to Modern Astrophysics. Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-54730-6. 
• Feynman, Richard (1989). Feynman Lectures on Physics. Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-51003-4. 
• Grøn, Øyvind; Hervik, Sigbjørn (2007) Einstein's General Theory of Relativity. New York: Springer. ISBN 978-0-387-69199-2. 
• Harrison, Edward (2000). Cosmology: The Science of the Universe, 2nd, Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-66148-5. 
• Kutner, Marc (2003). Astronomy: A Physical Perspective. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-52927-3. 
• Misner, Charles; Thorne, Kip S.; Wheeler, John Archibald (1973) Gravitation. San Francisco: W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0. 
• Peebles, P. J. E. (1993). Principles of Physical Cosmology. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-01933-8. 
• Taylor, Edwin F.; Wheeler, John Archibald (1992) Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity, 2nd, W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-2327-1. 
• Weinberg, Steven (1971). Gravitation and Cosmology. John Wiley. ISBN 978-0-471-92567-5. 
• See also Physical cosmology#Textbooks § Notes for applications of the cosmological and gravitational redshifts.

რესურსები ინტერნეტში

• Ned Wright's Cosmology tutorial
• Cosmic reference guide entry on redshift
• Mike Luciuk's Astronomical Redshift tutorial
• Animated GIF of Cosmological Redshift by Wayne Hu
• Merrifield, Michael; Hill, Richard. Z Redshift. SIXTψ SYMBΦLS. Brady Haran for the University of Nottingham (2009).