Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Скорость и эффект Доплера

Эффект Доплера возникает, когда некий движущийся объект излучает волны. Пожалуй, наиболее очевидный пример из повседневной жизни — это звук проезжающей мимо полицейской машины. Высокий тон «виу-виу-виу» приближающейся сирены и резкий переход к гораздо более низкому, когда она совсем близко, «ВУИ-ВУИ-ВУИ», — и так до тех пор, пока машина не отдалится.

Эффект Доплера касается всех типов волн, в том числе звуковых и световых. Причина эффекта заключается вот в чем: источник волн — в данном случае полицейская машина — движется по направлению к приемнику звука, в данном случае вашему уху. От частоты волн зависит, насколько высоким кажется тон. Частота волн показывает, сколько волн достигают уха каждую секунду: высокая частота дает высокий тон, низкая частота — низкий тон.

Скорость звуковой волны в воздухе на поверхности Земли составляет примерно 340 метров в секунду, и она неизменна вне зависимости от частоты волн. Следовательно, у высокочастотных волн расстояние между каждой новой волной меньше, чем у волн более низкой частотности. Расстояние между двумя следующими друг за другом волнами называют длиной волны. Мы уже упоминали понятие длины волны, когда говорили о световых волнах. И длина волны, и частота — это термины, актуальные для всех видов волн, будь то свет, звук или волны на воде.

Когда сирена двигается в вашем направлении, то каждая новая волна будет все ближе к вам. Таким образом, расстояние между волнами (длина волны) будет меньше, если сравнивать с неподвижной сиреной. Чем короче длина волны, тем выше частота и звонче тон. Соответственно, когда сирена удаляется от вас, она перемещается немного дальше с каждой новой излучаемой волной. Следовательно, расстояние между волнами увеличивается, частота становится ниже, а тон воспринимается как более басистый.

Эффект Доплера для звуковых волн. Человек справа будет слышать более короткие волны и более высокий тон, чем. человек слева.

Свет — это тоже волны, а поэтому подвержен эффекту Доплера. Если источник света двигается к нам, волна немного укорачивается, а если, наоборот, удаляется, волна удлиняется. Что касается света, мы воспринимаем разные длины волн как разные цвета. Из воспринимаемых нашими глазами цветов у красного самая большая длина волны, у синего — самая маленькая, а между ними располагаются все цвета радуги.

В кругах физиков хорошо известен анекдот об одном парне — назовем его Доплером, — который проехал перекресток на красный свет, и его остановил грубоватый полицейский:

— Вы что, не видели, что едете на красный?

— Извините, должно быть, я ехал настолько быстро, что красный свет казался зеленым.

Ну и дела! Могло ли это и впрямь оказаться правдой? Зеленый свет имеет более короткую длину волны, чем красный, поэтому, если Доплер ехал достаточно быстро, в принципе ничто не мешало ему воспринимать красный свет как зеленый. Однако если вдуматься, становится ясно: чтобы красный свет показался Доплеру зеленым, ему пришлось бы ехать с совсем уж невероятной скоростью — 200 миллионов километров в час. С такой скоростью можно обогнуть Землю менее чем за секунду. Так что Доплеру же лучше, если полицейский ему не поверит.

Получается, нужно разогнаться до нечеловеческих скоростей, чтобы ощутить четкий эффект Доплера на световых волнах, однако для звуковых волн достаточно и скорости автомобиля. Причина такой разницы в том, что свет и звук перемещаются с абсолютно разными скоростями. Действие эффекта Доплера зависит от того, насколько быстро движется источник волн по сравнению со скоростью самих волн. Как мы помним, звуковые волны на поверхности Земли перемещаются с вполне адекватной скоростью — 340 метров в секунду. Световые же волны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду (3–108 м/с). Поэтому нет ничего удивительного в том, что эффект Доплера не особо впечатляет, когда дело касается света и обычных скромных скоростей.

(window.adrunTag = window.adrunTag || []).push({v: 1, el: 'adrun-4-390', c: 4, b: 390})

Для таких астрономов, как Фриц Цвикки и Вера Рубин, эффект Доплера при измерении скоростей был незаменим. Ключевая разница между движением автомобиля и космических тел, естественно, заключается в том, что звезды и галактики гораздо быстрее. Кроме того, с помощью измерительных приборов можно уловить крошечные изменения цвета, которые не различит даже самый опытный художник.

Чтобы измерить, насколько быстро звезда или галактика движутся к нам или от нас, достаточно измерить, насколько изменилась длина световых волн из-за эффекта Доплера. Измерить длины волн, достигших Земли, относительно просто. Но, чтобы найти изменения в длинах волн, нам также нужно знать, какая длина волны была бы у света, если бы источник не двигался. Как же ее вычислить? Мы ведь не можем приказать звезде и уж тем более галактике остановиться, чтобы измерить первоначальную длину волны.

Стоящие у обочин посты ДПС, ловящие лихачей, справляются с этой проблемой, излучая свою собственную волну. Для этого они используют радиолуч с определенной длиной волны. Достигнув машины, луч отражается от нее, но уже смещенный эффектом Доплера на другую длину волны, которая зависит от скорости автомобиля. В итоге, сравнивая длину волны излученную и принятую, прибор может определить скорость автомобиля.

Конечно, создать луч, который будет отражаться от отдаленных звезд и галактик, не представляется возможным. Астрономам могут помочь спектральные линии уже известных веществ.

Как мы упоминали ранее, рассказывая о философе Конте и пионере спектроскопии Фраунгофере, все газы имеют уникальные «отпечатки пальцев», а именно особые длины волн, или цвета. Наблюдая за светом звезд или галактик отсюда, с Земли, мы часто замечаем смещение всех спектральных линий. Если они смещены в сторону более коротких волн, то мы называем такое смещение синим. Свет с синим смещением означает, что источник излучения движется к нам. Если же спектральные линии смещены в сторону более длинных волн, мы получаем красное смещение. Значит, объект, излучающий свет, удаляется от нас. Чем больше красное или синее смещение, тем выше скорость движения объекта.

Спектроскопия и измерение синего или красного смещения — весьма надежный и точный способ измерения скоростей, и именно этим методом пользовались как Цвикки, так и Рубин при измерении скорости движения галактик и звезд. Чтобы измерить расстояние до отдаленных слабых источников света, необходим хороший спектрограф. Использование очень точного спектрографа, разработанного Кентом Фордом, сыграло решающую роль при выполнении точных измерений, благодаря которым Вера Рубин пришла к выводу, что галактики вращаются не так, как им следовало бы. Пример Рубин и Форда — один из тех невероятных случаев, когда сочетание смелых мыслей, навыков и новых точных технологий привело астрономию к великим открытиям.

2.9. Так где же скрывается эта темная материя?

В самом начале книги я утверждал, что во Вселенной темной материи примерно в пять раз больше, чем обычной. Возникает вполне естественный вопрос: почему в нашей жизни здесь, на Земле, мы не замечаем ничего, связанного с темной материей? Да, темная материя невидима, но ее гравитационное воздействие мы бы ощутили, хотя в повседневной жизни и не обращаем особого внимания на гравитацию. Когда мы подпрыгиваем вверх и снова опускаемся на землю, то происходит это исключительно под воздействием видимого вещества Земли. Иными словами, вряд ли на Земле есть темная материя. А как быть с Солнечной системой? Может, в ней имеются целые планеты-гиганты из темной материи? Не-а. Планеты притягиваются друг к другу под воздействием гравитации, и в этом легко убедиться, изучив их движение. Здесь нет даже намека на огромные невидимые планеты. Но Вера Рубин нашла большое количество темной материи во вращающихся галактиках, и, хоть Млечный Путь она не изучала, другие ученые его не игнорировали. Все указывает на то, что у Млечного Пути такие же странные плоские кривые вращения, как у других спиральных галактик, а неестественно большие скорости звезд на периферии свидетельствуют о том, что и в нашей Галактике должно быть много темной материи. Так где же она скрывается?