¿Cómo funciona el Redshift de Hubble?

Question

Estoy un poco confundido sobre el funcionamiento del Hubble Redshift. Entiendo el efecto Doppler clásico, sin embargo, en relatividad especial, la velocidad de la luz c es un límite de velocidad natural. Entonces, ¿cómo surge Hubble Redshift?

Answer 1

Esta es una gran pregunta, ya que es de una importancia fundamental para la moderna astrofísica y la cosmología, y es mal entendido por muchas personas, incluyendo a los propios científicos. Ahora el completo, riguroso tratamiento requiere de la relatividad general, que no voy a discutir aquí en detalle. Sin embargo, este es un tema que se puede explicar algo de forma intuitiva, así que me voy a dar de que un tiro.

Coordenadas: en Primer lugar, vamos a necesitar un sistema de coordenadas consistente para trabajar en. Digamos que todo el mundo mide el tiempo a la temperatura del fondo cósmico de microondas (CMB). Si usted no está familiarizado con esto, usted puede pensar en él como la temperatura de fondo del universo, de la que sabemos para ser monótonamente relacionados con el tiempo para cualquier observador - disminuye a medida que el universo se enfría desde el Big Bang. Ahora, yo debería ser capaz de obtener los mismos resultados físicos de cualquier marco de referencia inercial o no, pero la interpretación de los resultados depende de la trama, y este es un intuitivo para trabajar en.

Bueno, que cubre el tiempo. ¿Qué acerca de la distancia? Bien, aquí es donde la cosmología se complica de inmediato, y una explicación adecuada de la distancia que recorre un largo camino hacia la explicación de muchos cosmológico de temas, incluyendo la cosmológica (Hubble) el corrimiento al rojo.

Supongamos que tenemos una red intergaláctico de los faros que se extiende sobre toda la forma de una galaxia distante (A) (B). Supongamos que estamos tan cerca que podría estar en uno de ellos y llegar a su brazo y toque la próxima. En un solo momento en el tiempo (recuerde, todos los faros están sincronizados para el CMB), cada faro mide la distancia a su vecino (ya sea con láser o un medidor de palo, no importa en escalas tan pequeñas), y todas estas distancias se resumió. Esa suma se llama la distancia adecuada entre la a y la B.

Nota sobre las distancias: Ahora usted puede pensar que la distancia entre dos cosas, es una muy definida de forma única el concepto, pero en realidad hay otras distancias. Cosas como la distancia por comovimiento, distancia de luminosidad, y el diámetro angular distancia están todos definidos de manera diferente. Todas estas distancias estaría de acuerdo, pero para dos advertencias. En primer lugar, GR permite que el espacio-tiempo a ser "curvo" (a pesar de que hemos encontrado experimentalmente que esto pasa a ser insignificante en nuestro universo). Segundo, y más relevante para nuestra discusión, GR permite propio espacio para ser "ampliar" o "contratante" como pasa el tiempo, y de hecho esto está sucediendo en nuestro universo.

Por supuesto, un montón de gente decir cosas como "el espacio se está expandiendo", sin dar ninguna pista en cuanto a lo que significan. A lo que me refiero es que la distancia adecuada entre la a y la B, va a crecer a lo largo del tiempo, incluso la exclusión de los cambios provocados por cualquier velocidad relativa de por sí. ¿Cómo podemos excluir la posibilidad de que el movimiento relativo? Digamos que a y B están en reposo con respecto a la CMB. Esto es factible, ya que si se mueve (en la teoría especial de la relatividad sentido) con respecto a este fondo, los fotones serían (Doppler) blueshifted en frente de usted y desplazado hacia el rojo detrás de usted. De hecho, vemos una ligera dipolo en el CMB aquí en la Tierra, por lo que no estamos muy en reposo con respecto a ella. Así que incluso con los observadores a y B, tanto en reposo, la separación entre ellos será cada vez mayor.

Aparición de corrimiento al rojo: Si usted puede envolver su cabeza en torno a que (y usted no debe ser capaz de, en la primera exposición de este material requiere tiempo para acostumbrarse a), el resto es bastante sencillo. Supongamos que alguien de pie en Una envía un haz de luz hacia B, y que la luz se fija a tener una longitud de onda de 1 metro en A. Para su concreción, voy a estar usando los números que reflejan el estado real de las cosas en nuestro universo. También vamos a definir el tiempo de $t_\text{then}$ a los 8 mil millones de años, y dicen que la distancia adecuada entre la a y la B, fue en el momento en $d_\text{then} = 5\times10^{25}\ \mathrm{m}$ (que es de alrededor de 5.5 millones de años luz).

Si el universo era estático, esto es lo que iba a suceder: Después de 5.5 miles de millones de años, B, recibirán el primer fotones de A. La longitud de onda todavía sería de 1 metro, y si nuestro intergaláctico faros tenía de frente de onda de los sensores que nos dirían que hay, de hecho, $5\times10^{25}$ picos en el campo electromagnético espaciados uniformemente entre a y B.

Sin embargo, el universo no es estático. Que la distancia adecuada es creciente, y por lo que los fotones no tienen que viajar un poco más de tiempo para llegar a B. En nuestro universo, resulta que tienen que viajar a un total de 8 mil millones de años. ¿Qué vemos aquí en el B, en el tiempo $t_\text{now}$? Bien, primero vamos a considerar lo que se ha hecho en A. Suponga que la viga se mantuvo estable durante todo este tiempo, la fabricación de un nuevo EM pico cada $(1\ \mathrm{m})/c$ unidad de tiempo (alrededor de 3 nanosegundos). Hay bastantes picos en esta ola que se extendería 8 mil millones de años luz si todos estuvieran uniformemente espaciados a 1 metro. Sólo para una verificación de consistencia, sin embargo, hemos de consulta de la intergaláctico faro de la red, y preguntar ¿a qué distancia de a es (por supuesto, tendremos que esperar miles de millones de años para que la información llegue a nosotros, pero aun así, se puede medir el número en principio).

Para nuestra gran sorpresa, es bastante lejos. Seguro que más de 5.5 millones de años luz, y de hecho, más de 8 mil millones de años luz. Pues resulta que (debido a los números elegí) es exactamente dos veces tan lejos como cuando nos empezó todo este experimento! Es decir, $d_\text{now} = 2d_\text{then}$. Ahora la imagen de los picos de las ondas. Hay suficiente para cubrir los 8 mil millones de años luz, pero a ellos se extendía más de 11 mil millones de años luz. Claramente no todos uniformemente espaciados a 1 metro más. En realidad, si tenemos, una vez más, hacer uso de nuestro intergaláctico de los faros y los han examinar la serie de picos y valles, aprendimos que la luz cerca de la Una tiene una longitud de 1 metro, y que cerca de B tiene una longitud de onda de un conjunto de 2 metros.

En realidad esto no debería sorprender, dado que la distancia total se ha multiplicado por 2. La primera longitud de onda de 1 parte en $5\times10^{25}$ $d_\text{then}$ cuando se emite, y lo de "estiramiento" se ha producido se ha producido de manera uniforme en todas partes, tanto en el espacio entre los dos primeros picos consecutivos de la onda como en el resto de intervenir el espacio. Hoy, al recibir el fotón, que es la longitud de onda es de 1 parte en $5\times10^{25}$$d_\text{now} = 2d_\text{then}$. De hecho, el universo es dos veces el tamaño de (tamaño linear, los volúmenes han aumentado ocho veces) en comparación con 8 millones de años.

Comparación con Doppler: La gran diferencia entre lo que yo he descrito y el Doppler es que el corrimiento al rojo cosmológico que sucede en el tiempo. En un típico libro de texto de la pregunta acerca de SR, usted tiene dos cohetes con cierta velocidad relativa, y no importa lo lejos que están, ya que el cambio en la longitud de onda sólo se produce cuando se cambia a otro marco. Aquí la longitud de onda tuvo una clara, creciendo continuamente valor todo el tiempo en este CMB marco.

Nota Final sobre la expansión acelerada: Bueno, si has llegado a este punto, usted es más de un experto que la gran mayoría del mundo. Pero vamos a ir un poco más allá, ya que este es el material de la más reciente Premio Nobel de física (a partir de este escrito, de septiembre de 2012). Podemos hacer mucho con este tipo de medidas, medir, simultáneamente, la distancia y el desplazamiento al rojo. Ya no queremos esperar miles de millones de años, utilizamos la más accesible distancia de luminosidad (que link tiene una definición, pero no mucho más en el camino de contenido, por desgracia). En cualquier caso, podemos hacer el corrimiento al rojo de las mediciones en un montón de diferentes distancias y, a continuación, podemos poner todo esto en conjunto para obtener una historia de la expansión del universo. Los astrónomos han estado muy interesado en hacer esto desde que Edwin Hubble descubrió que el universo no era estático mediante la instalación de una línea de la parcela de corrimiento al rojo como una función de la distancia. (Nota: sus datos era horrible, limitado a sólo galaxias cercanas donde otros efectos dominar, pero era audaz si nada, así que se la utilería para eso). En particular, es que la tasa de expansión de cambiar? Sabemos que hoy la tasa es de $H_0 = 70\ (\mathrm{km}/\mathrm{s})/\mathrm{Mpc}$. Es decir, los objetos a una distancia adecuada de 1 millón de parsecs se han apropiado para que el aumento de la distancia a una velocidad de 70 kilómetros cada segundo. En la década del '90, la gente que finalmente obtuvo el Premio Nobel hizo hacer mediciones más precisas, y se descubrió que, de hecho, la expansión fue acelerando, para gran sorpresa de todos. El nombre que le damos a la aún poco comprendida causa de esto es la "energía oscura" (que no debe confundirse con la "materia oscura"), pero eso es tema para otro post.

Answer 2

Además de la versión relativista del efecto Doppler, hay otras fuentes de desplazamiento hacia el rojo debido a la relatividad general, en particular el corrimiento al rojo gravitacional (consecuencia de la gravedad de la dilatación del tiempo, que también puede manifestarse como un desplazamiento hacia el azul) y el corrimiento al rojo cosmológico (consecuencia de una ampliación del espacio-tiempo).

Hubble de la ley es debido a que el desplazamiento al rojo cosmológico: Mientras la luz viaja desde la fuente al observador, la onda se estira debido a que la distancia entre los frentes de onda aumenta.

Los cambios observados incluye, por supuesto, las contribuciones de todos estos efectos.

Answer 3

Siempre me gusta simplista, pero coherente de los hechos para entender algo un poco mejor. Vamos a la negligencia de la expansión cosmológica primera y más bien se centran en las inmediaciones. Un cohete es disparado y un cohete B se considera un punto en reposo con respecto a la posición inicial. El espectro visible de la luz se envía el formulario de a a B, y B se puede ver el espectro a través de una telescópica como un plano como luz monocromática roja. Como llega a velocidades mayores que la imagen proyectada de B tendrá un cambio de color, como se observa a partir de A. La cantidad de desplazamiento o cambio de color es directamente proporcional a la diferencia relativa en la velocidad entre los dos cohetes. Si se estaba moviendo hacia B, exactamente a la misma velocidad, pero en la dirección opuesta, el color se alejará de un rojo hacia el color azul(lo que la transición entre el rojo y el azul requiere más el espectro de luz visible . En otras palabras, la cantidad de cambio de color es directamente proporcional a la velocidad relativa entre a Y B. por Favor, dime si estoy en lo correcto acerca de esto.

Answer 4

El desplazamiento al rojo ocurre debido a la velocidad de la fuente. La velocidad del medio siempre se trata como una constante. El tamaño del desplazamiento al rojo se rige por la relación entre la velocidad relativa de la fuente y el observador y la velocidad de la luz (se supone que es menor que uno)

Si te interesan las ondas generadas por un objeto que se mueve más rápido que la velocidad de las olas en un medio, observa la radiación de Cherenkov

Answer 5

Creo que todo tiene que ver con longitudes de onda y la frecuencia. Como el objeto que va más allá de la longitud de onda es mayor y la frecuencia en la cual se puede interpretar la onda disminuye. Como la longitud de onda es mayor y la frecuencia disminuye, la luz natural, las emisiones de abarcar más rojo mientras que, alternativamente, que abarcan más azul [desplazamiento hacia el azul] es decir, en el espectro visible. Esto no significa que la emisión de luz es en realidad de ser convertidos en rojo o azul en la fuente, sólo significa que se produce la saturación [color de la pérdida y la ganancia, respectivamente]. Esto le da a los efectos de la adición de color rojo. Por ejemplo, creo que si llegamos a ver el sol [dando las emisiones naturales que se interpreta como el amarillo] de mercurio [sin aether], va a ser mucho más brillante de color amarillo o tal vez incluso blancos como la comparación con la observación de júpiter, donde se vería de color naranja. El mismo concepto se puede aplicar a cómo interpretamos la luz solar que pasa a través del éter. La longitud de onda y la frecuencia de la luz del sol es más delgado al mediodía en comparación a durante la puesta del sol/salida del sol, cuando la luz del sol debe viajar más lejos para llegar a sus ojos. Como resultado, la luz está saturado y el espectro es más/menos aprobado de acuerdo a la distancia variable.

He proporcionado una imagen actualizada para tratar de mostrar visualmente cómo veo la saturación del color, la composición y el desplazamiento al rojo de cada día. Creo que la mayoría de la gente asocia el corrimiento al rojo sólo con la astrofísica, cuando estos fenómenos están disponibles para nosotros que cada día, a la derecha aquí en la tierra, sólo en un minúsculo nivel. Es genial si es ridiculizado, pero bueno, es física y no soy físico, sí?