Как определяют расстояние до галактик по красному смещению кратко

Обновлено: 07.07.2024

Наличие красного смещения у галактик позволяет с большой точностью определять расстояния до них. Чем сильнее смещены линии в спектре галактик, тем дальше галактика. Этот метод определения расстояний до галактик основан на хорошо известном в физике эффекте Доплера , впервые внедренном в астрономическую практику известным русским астрономом А. А. Белопольским.

Допустим, имеется какой-либо источник электромагнитных колебаний. Если этот источник движется относительно наблюдателя, то частота колебаний в системе координат наблюдателя будет меняться согласно этому принципу на величину, зависящую от отношения скорости движения источника к скорости света. При удалении источника частота его излучения (колебаний) уменьшается, при приближении увеличивается. Если пользоваться не частотой, а длиной волны, то в системе координат наблюдателя излучение источника будет описываться формулой
где – изменение длины волны, – скорость удаления галактики, – скорость света, ₀ – длина волны лабораторного, неподвижного источника. С другой стороны, скорость источника связана с расстоянием до него по закону Хаббла:
где – постоянная Хаббла, – расстояние до галактики. Зная величину красного смещения например, для какой-нибудь галактики, мы можем определить расстояние до нее.

Зависимость красного смещения в спектрах галактик от расстояния до них (с учетом релятивистских поправок)

Некоторые квазары имеют большое красное смещение: обнаружен даже квазар с = 5,82. Такие объекты удаляются со скоростью, близкой к скорости света. Обычная формула Доплера здесь уже неприменима. В таких случаях пользуются формулой из специальной теории относительности:

Определенная по этой формуле скорость квазара при любом красном смещении будет меньше скорости света.

По уточненным современным данным, численное значение = 70 км/(с•Мпк). Тогда время расширения Хаббла (вероятно, близкое ко времени расширения нашей Вселенной) = 1/ = 14 миллиардов лет, а расстояние Хаббла (условный размер Вселенной) = / = 4 300 Мпк.

В настоящее время красные смещения измерены у сотен тысяч галактик. Самые далекие из них находятся на расстоянии 12 миллиардов световых лет.

В настоящее время по данным астрономических наблюдений установлено, что Вселенная в больших масштабах однородна, т.е. все ее области размером от 300 млн. световых лет и больше выглядят одинаково. В меньших масштабах во Вселенной есть области, где обнаруживаются скопления галактик и, наоборот, пустоты, где их мало.

Расстояния до небесных тел в астрономии определяются по-разному в зависимости от того близко или далеко от нашей планеты эти объекты находятся. В космическом пространстве принято использовать следующие единицы для измерения расстояний:

1 а.е.(астрономическая единица) = (149597870 + 2) км;

1 пк (парсек) = 206265 а.е. = 3,086 10 м;

1 с.г.(световой год) = 0,307 пк = 9,5 10 м. Световой год – путь, который свет проходит за год.

Эффект Доплера состоит в том, что излучение, посланное источником, удаляющимся от неподвижного приемника, будет приниматься им как более длинноволновое, по сравнению с излучением от такого же неподвижного источника.

Если же источник приближается к приемнику, то длина волны регистрируемого сигнала, наоборот, будет уменьшаться.

В 1924 г советский физик Александр Фридман предсказал, что Вселенная расширяется. Имеющиеся в настоящее время данные показывают, что эволюция Вселенной началась с момента Большого Взрыва.Около 15 млрд. лет назад Вселенная представляла собой точку (ее называют точкой сингулярности), к которой из-за сильнейшей гравитации в ней, очень высокой температуры и плотности неприменимы известные законы физики. В соответствии с принятой сейчас моделью Вселенная начала раздуваться из точки сингулярности с нарастающим ускорением. В 1926 г. были получены экспериментальные доказательства расширения Вселенной. Американский астроном Э.Хаббл, при исследовании с помощью телескопа спектров далеких галактик, открыл красное смещение спектральных линий. Это означало, что галактики удаляются друг от друга, причем со скоростью, возрастающей с расстоянием. Хаббл построил линейную зависимость между расстоянием и скоростью, связанную с эффектом Доплера (закон Хаббла):

r = v/H = c Z/H (1), где

r – расстояние между галактиками;

v –скорость удаления галактик;

Н– постоянная Хаббла. Значение Н зависит от времени, прошедшего с начала расширения Вселенной до настоящего момента, и меняется в интервале от 50 до 100 км/с Мпк. В астрофизике, как правило, используют Н= 75 км/с Мпк. Точность определения постоянной Хаббла составляет 0,5 км/с Мпк;

с– скорость света в вакууме;

Z– красное смещение длины волны, т.н. космологический фактор.

Z =λ – λo/ λo (2), где

λ– длина волны принятого приемником излучения;

λо– длина волны излучения, испущенного объектом.

Таким образом, измеряя величину смещения линий, например, ионизированного водорода ( Нδ) в видимой части спектра, можно для наблюдаемой с Земли галактики, определить по формуле (2) ее красное смещение Zи, пользуясь законом Хаббла (1), вычислить расстояние до нее или скорость ее удаления.

Порядок выполнения работы

2. Установите курсор на галактике, указанной преподавателем и щелкните клавишей.

3. Запишите в таблицу измерений длину волны λ и λ излучаемую этой галактикой при ее удалении.

4. Определите величину красного смещения для галактики по формуле (2) и затем рассчитайте либо ее скорость перемещения v, либо расстояние до нее r по формуле (1). Задание получите у преподавателя.

5. Выведите формулу погрешности Δv, либо Δr, считая, что это косвенное измерение и Вам известна погрешность Δλ или ΔН.

1. Чем занимается наука космология?

2. Что называется космологическим красным смещением?

3. В чем состоит эффект Доплера?

4. Сформулируйте закон Хаббла.

5. Какие опытные факты являются в настоящее время свидетельством расширения Вселенной?

Авторы программы и описания

доц. каф. физики С.П.Майбуров

доц. каф.физики И.Г.Румынская

Историческое сочинение по периоду истории с 1019-1054 г.: Все эти процессы связаны с деятельностью таких личностей, как.

Тема 5. Подряд. Возмездное оказание услуг: К адвокату на консультацию явилась Минеева и пояснила, что.

Конфликтные ситуации в медицинской практике: Наиболее ярким примером конфликта врача и пациента является.

Эдвин Хаббл за 2.5-метровым телескопом
На левой фотографии Э.Хаббл (1889-1953) ведет фотографические наблюдения на 2.5-м телескопе с ньютоновской системой в 1923 году. Правая фотография – его портрет. С помощью этого телескопа Хаббл измерял расстояния до и скорости галактик, что привело его к концепции расширяющейся Вселенной. Согласно этой идее, история Вселенной началась 10-12 миллиардов лет назад с Большого Взрыва.

Изображенный здесь телескоп является механическим шедевром. 20 июня 1981 года ему был присужден Знак Международного Исторического Механического Инженерного Искусства Американским Обществом Механических Инженеров.

Как измеряются красные смещения .

По красному смещению можно определить не только скорость удаления далекой галактики от наблюдателя, но и расстояние до нее, воспользовавшись законом Хаббла: , где - постоянная Хаббла.
Красное смещение также является мерой времени, протекшего с момента начала расширения Вселенной до момента испускания света в галактике. В рамках модели однородной и изотропной Вселенной со средней плотностью, равной критической плотности, это время выражается по формуле . Так, по современным астрономическим данным, самые первые галактики образовались в момент времени, соответствующий красному смещению 5, то есть спустя примерно 1/15 часть современного возраста Вселенной. Значит, свет от этих галактик шел до нас примерно 8.5 миллиардов лет.

ЭТАПЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

1. Сингулярное состояние

2. Квантовый переход в конечномерное состояние

4. Смесь вещесва и и антивещества.

5. Аннигиляция вещества и антивещества и возникновение реликтового излучения

6. Образование ядер (в основном водорода и дейтерия)

7. Образование атомов водорода и дейтерия

8. Формирование галактик и звезд

9. Возникновение все новых звезд и их развитие вплоть до коллапса.

Раздувание Вселенной

Авторы: Научно-исследовательская группа WMAP, НАСА

Перевод: Д.Ю.Цветков

Пояснение: В настоящее время Вселенная постепенно расширяется. Но ее начальное расширение было почти невозможно быстрым - вероятно, она выросла из флуктуаций квантовых масштабов за одну триллионную секунды. Этот космологический сценарий, известный как теория инфляции, теперь подтверждается результатами анализа данных, полученных за три года космическим аппаратом WMAP. Приборы на борту WMAP регистрируют космическое реликтовое излучение - послесвечение, дошедшее до нас из ранней Вселенной. Удивительные успехи WMAP в изучении первой триллионной доли секунды и выборе наиболее вероятного сценария инфляции обусловлены его способностью осуществлять беспрецедентно точные измерения свойств реликтового излучения. Эти едва уловимые свойства объясняются условиями в ранней Вселенной и связаны с первыми моментами ее существования. Показанная здесь диаграмма схематически изображает всю историю Вселенной, продолжавшуюся 13.7 миллиардов лет (плюс одна триллионная секунды . ) от квантовых масштабов до формирования звезд, галактик, планет и самого аппарата WMAP.

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

До того момента, когда Вселенная прожила десятитысячную долю секунды, из кварков шел процесс образования протонов и нейтронов — частиц, из которых состоят ядра атомов.

ПОСЛЕ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА. Через секунду после Большого взрыва температура снизилась до 10 млрд. градусов; во Вселенной преобладали излучение и такие легкие частицы, как электроны и их античастицы, позитроны. Антиматерия похожа на обычную материю с той только разницей, что частицы антиматерии имеют противоположный частицам обычной материи заряд, когда они встречаются, они тут же взаимоуничтожаются (это явление называется аннигиляцией), выделяя энергию. Это происходит и с парой электрон — позитрон, которые аннигилируют, образуя два гамма-кванта. Тем не менее после этой фазы должен образоваться избыток материи по сравнению с антиматерией, потому что все, что мы сегодня наблюдаем во Вселенной, состоит из материи, а антиматерия отсутствует. Чуть больше, чем через минуту после Большого взрыва протоны и нейтроны начали соединяться между собой, образуя ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Большая часть ядер гелия, существующих на сегодняшний день во Вселенной, образовалась в первую четверть часа после первоначального взрыва.

В последующие 300 000 лет значительных изменений не происходило. Значительное изменение произошло, когда Вселенная, расширившись, остыла до температуры 3300 °С. С этого момента электроны стали соединяться с ядрами водорода и гелия, образуя первые атомы. То есть произошло своего рода рассредоточение космического облака, и впервые Вселенная стала прозрачна для света.

Такой процесс бесконечного образования материи несовместим с современными законами физики, хотя ритм предположительного образования столь незначительный, что его трудно воссоздать в лабораторных условиях. На количественном уровне возникает вопрос появления из ничего атома водорода 8 каждом кубическом дециметре раз в миллиард лет. Наблюдая за Вселенной на микроволновом уровне, было открыто, что во все стороны идет достаточно однородное излучение, известное как радиационный космический фон. Космологи объясняют его как эхо Большого взрыва, но для этого еще нужны основательные доказательства.

За открытие фонового космического излучения Пензиас и Вильсон получили в 1978 году Нобелевскую премию в области физики вместе с группой астрономов Принстонского университета — Диком, Пибблзом, Роллом и Уилкинсом, которые в том же 1964 году занимались радиоастрономическими исследованиями, как раз пытаясь обнаружить излучение.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ФОНОВОГО КОСМИЧЕСКОГОИЗЛУЧЕНИЯ. Согласно теории Большого взрыва, когда температура первородной Вселенной опускается примерно до

Длина волны испущенного излучения сдвигается к красному с расширением Вселенной, пока не достигает диапазона микроволн. Поэтому температура излучения черного тела, обратно пропорциональная длине волны, уменьшается по достижении примерно 3 °К. Слабая вспышка излучения, наблюдаемая сегодня, — это информация о давно прошедших событиях, потому что свет из галактики вышел очень давно, когда возраст Вселенной составлял 300 или 500 тысяч лет, а плотность была 1000 атомов на см 3 .

Неоднородность Вселенной, наступившая по прс ва, должна наложить отпечаток и на фоновое излучение.

задачи для спутников.

Расширение Вселенной

А вот второй вопрос относится к средней плотности материи во Вселенной. И действительно, по общей теории относительности предполагается, что, если плотность оказывается ниже определенного критического значения, Вселенная обречена но расширение, даже если процесс будет сдерживаться гравитационной силой, она только замедлит процесс увеличения ее размеров. Если плотность окажется выше критического значения, Вселенная подойдет к Большому сжатию гигантскому финальному коллапсу. Имеются данные, говорящие о том, что плотность современной Вселенной очень близка к критическому значению. Но существует ряд теорий, утверждающих, что небольшое начальное отклонение от этого значения впоследствии увеличивается, и сегодня его легко наблюдать. Для подтверждения полученных на сегодняшний день сведений следует предположить, что изначальная плотность отклоняется от критической на 1 О" 60 , то есть крайне незначительно.

СХЕМА РАЗВИТИЯ ВСЕЛЕННОЙ

СТОЛКНОВЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ ИМИТИРУЮТ ПОВЕДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ НА ЭТАПЕ СОСУЩЕСТВОВАНИЯ МАТЕРИИ И АНТИМАТЕРИИ

Эволюция Вселенной

Авторы: А. Кудлики ( Астрономический центр им. Н. Коперника ),
Ж. Еврард ( Мичиганский университет ) и др.,
Консорциум Вирго

Перевод: Козырева А.В.

Пояснение: Прокрутите картинку вправо (можно сделать это и дома). Вы увидите, как эволюционирует Вселенная. На сегодняшней картинке изображена эволюция целой Вселенной (. ), смоделированная с помощью компьютера. Далеко слева показано, как выглядела Вселенная вскоре после Большого Взрыва, спустя 10 миллиардов лет. Время на картинке течет слева направо, и видно, как Вселенная из первоначально однородной превращается во все более клочковатую. Вершина далеко справа - момент, в который мы живем. Самую большую часть Вселенной, которую мы можем наблюдать, показана справа от этой вершины. Эта искусственная Вселенная, которую ученые называют Хаббловским объемом, была смоделирована специально, чтобы показать, что человечество может увидеть, если будет использовать для наблюдений очень мощные телескопы. Сравнивая различные компьютерные расчеты с реальными наблюдениями, мы можем более точно судить о том, в какой Вселенной мы живем.

НАША ВСЕЛЕННАЯ В ПРОШЛОМ:

Свет от первых звезд

Авторы: НАСА/Лаборатория реактивного движения - Калтех/А. Кашлински (Центр космических полетов им. Годдарда) и др.

Перевод: Д.Ю.Цветков

Пояснение: Какими были самые первые звезды? Никто пока не знает точного ответа. Наше Солнце - это не звезда первого поколения. Она не принадлежит даже к второму поколению. Первые звезды во Вселенной возникли и погасли около 13 миллиардов лет назад. Однако глубокие наблюдения с помощью космического телескопа Спитцера в инфракрасном диапазоне позволили обнаружить диффузное свечение, возможно, от звезд первого поколения с массой, более чем в сто раз превосходящей массу нашего Солнца. На этом изображении показано свечение инфракрасного фона. Яркие пятна, вероятно, возникли в скоплениях этих первых объектов. Области, окрашенные в серый цвет - это места, где находятся близкие звезды нашей Галактики Млечный Путь, которые были удалены при цифровой обработке.

Авторы: Проект Бумеранг

Перевод: А.В. Козырева

Авторы: Марк Ньюболд

Перевод: Козырева А.В.

Пояснение:

ЭФФЕКТ ХАББЛА

Как измеряются красные смещения .

Существует несколько способов определения расстояний до галактик. Легче всегоэто можно сделать, если в галактике наблюдаются хорошо изученные объекты, светимость которых мы знаем. Так, например, светимость цефеид известна по соотношению период - светимость. У новых звезд абсолютная звездная величина в максимуме около -8m,5, а у шаровых скоплений в среднем -8m. В этих случаях для определения расстояний достаточно найти видимую звездную величину такого объекта и вычислить модуль расстояния, не забывая при этом учитывать влияние межзвездного поглощения света. О расстояниях до удаленных галактик, в которых перечисленные объекты не видны, судят по их видимым угловым размерам или по видимой звездной величине. Для этого необходимо, очевидно, знать размеры или светимости галактик данного типа. Наконец, еще один способ основан на определении величины красного смещения. Это явление заключается в том, что все спектральные линии в спектрах далеких галактик оказываются смещенными к красному концу.

конецформыначалоформыЗакон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) — эмпирический закон, связывающий красное смещение галактик и расстояние до них линейным образом:cz = DH₀

конецформыначалоформыКрасное смещение — наблюдаемое для всех далёких источников (галактики, квазары) понижение частот излучения, свидетельствующее о динамическом удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т.е. о нестационарности Метагалактики. Красное смещение для галактик было обнаруженоамериканским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально.

Квазары - самые отдаленные от нас астрономические объекты.
Расстояние до этого квазара, видимого в оптический телескоп как звезда девятнадцатой величины, составляет 12,8 млрд световых лет..
радиосигналы, посланные этими квазарами тогда, когда еще не была сформирована наша Галактика, в том числе Солнечная система, можно только сегодня зарегистрировать на земле. А преодолевают эти лучи огромное расстояние-более 13 млрд световых лет.

71. Пространственное распределение галактик. конецформыначалоформыОбычно галактики встречаются небольшими группами, содержащими по десятку членов, часто объединяющимися в обширные скопления сотен и тысяч галактик. Наша Галактика входит в состав так называемой Местной группы, включающей в себя три гигантские спиральные галактики (наша Галактика, туманность Андромеды и туманность в созвездии Треугольника), а также более 15 карликовых эллиптических и неправильных галактик, крупнейшими из которых являются Магеллановы Облака. В среднем размеры скоплений галактик составляют около 3 Мпс. В отдельных случаях диаметр их может превышать 10-20 Мпс. Они делятся на рассеянные (неправильные) и сферические (правильные) скопления. Рассеянные скопления не обладают правильной формой и имеют нерезкие очертания. Галактики в них весьма слабо концентрируются к центру. Примером гигантского рассеянного скопления может служить ближайшее к нам скопление галактик в созвездии Девы . На небе оно занимает примерно 120 кв. градусов и содержит несколько тысяч преимущественно спиральных галактик. Расстояние до центра этого скопления составляет около 11 Мпс. Сферические скопления галактик более компактны, чем рассеянные, и обладают сферической симметрией. Их члены заметно концентрируются к центру. Примером сферического скопления является скопление галактик в созвездии Волос Вероники, содержащее очень много эллиптических и линзообразных галактик . Его диаметр составляет почти 12 градусов. В нем содержатся около 30 000 галактик ярче 19 фотографической звездной величины. Расстояние до центра скопления составляет около 70 Мпс.

1. Предмет и задачи астрономии. Разделы астрономии. Классические и современные методы астрономических исследований.

2. Основные этапы развития астрономии. Место астрономии в системе естественных наук, её научное, практическое и мировоззренческое значение.

3. Небесная сфера. Основные плоскости, линии и точки небесной сферы.

4. Системы небесных координат (горизонтальная, первая и вторая экваториальные, эклиптическая).

5. Суточное вращение небесной сферы на разных широтах и связанные с ним явления. Суточное движение Солнца. Смена сезонов и тепловые пояса.

6. Основные формулы сферической тригонометрии. Параллактический треугольник и преобразование координат.

7. Звёздное, истинное и среднее солнечное время. Связь времён. Уравнение времени.

8. Системы счёта времени: местное, поясное, всемирное, декретное и эфемеридное время.

9. Календарь. Типы календарей. История современного календаря. Юлианские дни.

11. Суточная и годичная аберрация.

12. Суточный, годичный и вековой параллакс светил.

13. Определение расстояний в астрономии, линейных размеров тел солнечной системы.

14. Собственное движение звёзд.

15. Лунно-солнечная и планетарная прецессия; нутация.

16. Неравномерность вращения Земли; движение полюсов Земли. Служба широты.

17. Измерение времени. Поправка часов и ход часов. Служба времени.

18. Методы определения географической долготы местности.

19. Методы определения географической широты местности.

20. Методы определения координат и положений звёзд (a и d).

21. Вычисление моментов времени и азимутов восхода и захода светил.

22. Видимые и действительные движения Луны и планет. Конфигурации планет. Синодические уравнения.

23. Элементы орбит.

24. Законы Кеплера. Третий (уточнённый) закон Кеплера.

25. Движение тела под действием силы тяжести. Виды орбит.

26. Задача 3-х и более тел. Частный случай задачи трех тел (точки либрации Лагранжа). Открытие Нептуна.

27. Понятие о возмущающей силе. Устойчивость Солнечной системы.

29. Приливы и отливы.

30. Движение космических аппаратов. Три космические скорости.

32. Солнечные и лунные затмения. Условия наступления затмения. Сарос.

33. Либрации Луны.

34. Спектр электромагнитного излучения, исследуемый в астрофизике. Прозрачность атмосферы Земли.

35. Механизмы излучения космических тел в разных диапазонах спектра. Виды спектра: линейчатый спектр, непрерывный спектр, рекомбинационное излучение.

36. Астрофотометрия. Звёздная величина (визуальная и фотографическая).

37. Свойства излучения и основы спектрального анализа: законы Планка, Рэлея-Джинса, Стефана-Больцмана, Вина.

38. Доплеровское смещение. Закон Доплера.

39. Методы определения температуры. Виды понятий температуры.

40. Методы и основные результаты изучения формы Земли. Геоид.

41. Внутреннее строение Земли.

42. Атмосфера Земли.

43. Магнитосфера Земли.

44. Общие сведения о Солнечной системе и её исследовании.

45. Физические характеристики Луны.

46. Планеты земной группы.

47. Планеты-гиганты и их спутники.

48. Малые планеты – астероиды.

49. Кометы. Метеоры. Метеориты.

50. Основные физические характеристики Солнца как звезды.

51. Спектр и химический состав Солнца, солнечная постоянная.

52. Внутреннее строение Солнца. Источник энергии Солнца.

53. Фотосфера, хромосфера, корона Солнца. Грануляция и конвективная зона. Зодиакальный свет и противосияние.

54. Активные образования на Солнце. Центры солнечной активности.

55. Эволюция Солнца.

56. Спектры нормальных звёзд и спектральная классификация. Температура звёзд. Температурная шкала.

57. Абсолютная звёздная величина и светимость звёзд.

58. Диаграмма спектр-светимость Герцшпрунга-Рессела.

59. Связь размеров, масс, светимостей и температур звёзд.

60. Модели строения звёзд. Строение вырожденных звёзд (белые карлики и нейтронные звёзды). Чёрные дыры.

61. Основные этапы эволюции звезд. Планетарные туманности.

62. Кратные и переменные звёзды (кратные, визуально-двойные, спектрально-двойные звёзды, невидимые спутники звёзд, затменно-двойные звёзды). Особенности строения тесных двойных систем.

63. Физические переменные звёзды (пульсирующие переменные; эруптивные переменные: в начале эволюции, новые, сверхновые; пульсары, нейтронные звёзды). Рентгеновские источники излучения.

64. Методы определения расстояний до звёзд.

65. Распределение звёзд в Галактике. Скопления. Общее строение Галактики.

66. Пространственное перемещение звёзд. Вращение Галактики.

67. Межзвёздные пыль, газ, молекулярные облака. Космические лучи, галактическая корона и магнитное поле Галактики.

68. Классификация галактик.

69. Определение расстояний до галактик. Закон Хаббла. Красное смещение в спектрах галактик. 70 Квазары.

71 пространственное распределение галактик.