Куда смещается красное смещение?
Красное смещение — важнейший космологический параметр. Он показывает, насколько расширилась вселенная с того момента, когда фотоны были испущены, до момента их регистрации. Точная формула выглядит так:
z+1=a(t2)/a(t1).
Здесь z — красное смещение, t1 — момент излучения фотонов, а t2 — момент наблюдения. Величина a — это т.н. масштабный фактор. Именно он задает масштаб расстояний между галактиками, показывает, как это расстояние изменяется со временем. Правда, сам масштабный фактор не является абсолютной величиной. Его нельзя измерить (да это и не нужно). Но можно определить из наблюдений отношение масштабных факторов в разные моменты времени. Удобно принять современный масштабный фактор за единицу. Поскольку наша вселенная расширяется, то этот параметр только растет. В прошлом масштабный фактор был меньше единицы, а в будущем будет больше. Соответственно, расстояние между далекими галактиками растет, а свет от них приходит покрасневшим.
Наблюдая красные смещения объектов, мы можем в рамках заданной космологической модели рассчитать множество величин: расстояния, скорости... Разумеется, с течением времени должно меняться и само красное смещение каждого наблюдаемого объекта. Однако пока нам не хватает точности наблюдений, чтобы это измерить. Видимо, следующее поколение крупных наземных телескопов (с новыми спектрографами) сможет помочь нам в этом. Что же мы увидим?
Кажется, что ответ очевиден. Расстояние до галактик растет. А мы знаем, что чем дальше галактика, тем больше ее красное смещение. Значит, красное смещение будет со временем расти. Оказывается, что тут не все так просто! Давайте постепенно в этом разбираться.
Красное смещение в разных моделях
Расширение вселенной удобно иллюстрировать графиком изменения масштабного фактора (Рис. 1 —
http://vk.cc/3ozp8b). Он показывает, как изменяется расстояние между не связанными друг с другом объектами (например, между нами и какой-нибудь далекой галактикой), а также, как увеличивается длина волны фотона. Темп расширения вселенной (лучше употреблять именно это слово, а не скорость) может меняться со временем: масштабный фактор растет то медленнее, то быстрее. Это будет сказываться и на красном смещении наблюдаемых объектов. Важно помнить, что существенно не только то, как расширялась вселенная в моменты излучения и приема, но и что происходило по дороге — в процессе распространения сигнала!
Нас интересует, как изменяется красное смещение между двумя наблюдениями. Поэтому на рисунке 1 показаны пары моментов: и для испускания сигнала, и для его регистрации. На рисунке 2 —
http://vk.cc/3ozrit — одна такая пара показана в деталях. Мы наблюдаем галактику такой, какой она была в момент времени t1, а затем в момент t1+Δt (по нашим часам интервал времени будет другим). Между моментами излучения и приема вселенная расширяется, поэтому при втором измерении мы получим фотоны, растянутые чуть иначе. Из-за этого второе значение красного смещения будет отличаться от первого. В какую сторону? Это зависит от того, как менялась динамика расширения вселенной.
Рисунок 1. —
http://vk.cc/3ozp8b Изображена эволюция масштабного фактора. Вселенная все время расширяется, но замедленное расширение сменяется ускоренным. Выделено четыре момента времени. Справа налево. Сплошными линиями показаны два момента приема сигнала (например, сегодня и завтра). Далее показаны три пары моментов испускания сигнала. Один объект в момент излучения находится в области, уже расширяющейся с ускорением (он ближе к нам). Второй объект в области, где замедленное расширение сменяется ускоренным. И третий в области замедленного расширения (самый далекий).
Рисунок 2. —
http://vk.cc/3ozrit Сегодня (момент t2) мы наблюдаем свет галактики, испущенный в момент t1. Затем (например, завтра или через год) мы наблюдаем свет той же галактики, излученный в момент t1+Δt. Заметим, что интервал между двумя испусканиями света не равен интервалу между двумя наблюдениями. Красное смещение будет разным в случае первого и второго наблюдения, т.к. изменилось соотношение между масштабными факторами в моменты излучения и приема сигнала.
Если бы вселенная все время замедляла свое расширение (это происходило бы, если бы у нас было только обычное и темное вещество, или излучение), то темп расширения во время излучения был бы выше, чем во время приема (Рис. 3 —
http://vk.cc/3ozrKI). Т.е., в нашем самом первом уравнении знаменатель растет быстрее числителя. Поэтому красное смещение будет уменьшаться (см. также рисунок 7 —
http://vk.cc/3oztIN, нижняя сплошная кривая). Это противоречит интуиции: галактика становится дальше, но красное смещение падает. Но тут важно не расстояние, а то, во сколько раз изменился масштабный фактор. Красное смещение является мерилом удаленности только в каждый данный момент времени. А вот изменение красного смещения с изменением расстояния связаны уже не таким простым образом.