Шаршаңқы жарық және қызыл жылжу құбылысының гипотетикалық теориялары

Кіріспе

Гипотетикалық қызыл жылжу механизмдерінің класы

Шаршаған жарық – қызыл жылжу-арақашықтық байланысының баламалы түсіндірмесі ретінде ұсынылған гипотетикалық қызыл жылжу механизмдерінің класы. Бұл модельдер ғаламның кеңеюімен байланысты модельдерге балама ретінде ұсынылды. Бұл тұжырымды алғаш рет 1929 жылы Фриц Цвикки ұсынды, ол фотондар басқа бөлшектермен үнемі соқтығысып, уақыт өте энергиясын жоғалтса, алыстағы объектілер жақынғыларына қарағанда қызыл түсті көрінетінін болжады. Цвикки жарықтың кез келген түрде шашырауы алыстағы объектілердің бейнесін байқалатыннан гөрі көбірек бұрмалайтынын мойындады. Бұған қоса, уақыт өте дамитын галактикалардың беттік жарқылығы, космологиялық көздердің уақыттың созылуы және ғарыштық микротолқынды сәулеленудің жылулық спектрі байқалды – егер космологиялық қызыл жылжу кез келген шаршаған жарық шашырау механизміне байланысты болса, мұндай эффектілер болуы керек емес. Тұжырымның мерзімді қайта қаралуына қарамастан, шаршаған жарық байқаулар арқылы қолдау таппады және астрофизикада маргиналды тақырып болып қала береді.

Тарих және қабылдау

Шаршаған жарық – Эдвин Хабблдің алыс галактикалардың қашықтығына пропорционалды қызыл жылжуларды байқауынан туындаған идея. Қызыл жылжу – бұл Допплер эффектісімен байланысты, объектіден шығарылатын электромагниттік сәулелену спектрінің энергиясы мен жиілігінің төмендеуі. Весто Слифер сияқты спиральді галактикаларды зерттеушілер бұл объектілердің (қазір жеке галактикалар екені белгілі) көк жылжуға қарағанда көбінесе қызыл жылжуды көрсеткенін анықтады, олардың орналасқан жеріне қарамастан. Бұл қатынастың барлық бағытта сақталуы оны қызыл және көк жылжулардың әртүрлілігін көрсететін фонға қатысты жай қозғалысқа жатқызуға мүмкіндік бермейді. Барлық нәрсе Сары Ағаш галактикасынан алыстап барады. Хабблдің үлесі – қызыл жылшудың мөлшері галактикаларға дейінгі қашықтықпен тығыз байланысты екенін көрсету болды. Слифер мен Хабблдің деректеріне сүйене отырып, 1927 жылы Жорж Леметр бұл байланыстың Эйнштейннің гравитация теориясының теңдеулеріне статикалық емес шешімдерге, яғни Фридман-Леметр шешімдеріне сәйкес келетінін түсінді. Дегенмен, Леметрдің мақаласы Хабблдің 1929 жылғы жариялануынан кейін ғана бағаланды. Бұл шешімдегі жалпы қызыл жылшу-қашықтық арақатынасы кеңейіп жатқан ғаламның нөлдік уақыт-кеңістік интервалында (немесе «жарыққа ұқсас» геодезиялық) қозғалатын фотонға тигізетін әсерімен байланысты. Бұл тұжырымда Допплер эффектісіне ұқсас әсер сақталды, бірақ кеңейіп жатқан ғаламда қашықтықтарды әртүрлі анықтауға болатындықтан, салыстырмалы жылдамдықтарды көбірек сақтықпен қарастыру қажет болды. Сонымен қатар, жалпы салыстырмалылық теориясына қайшы келетін басқа да түсіндірмелер ұсынылды. Эдвард Милн қызыл жылшуды түсіндіретін алып жарылыс болды деп, арнайы салыстырмалылық теориясымен үйлесімді, бірақ жалпы салыстырмалылық теориясымен үйлесімсіз түсіндірме ұсынды (Милн ғаламын қараңыз). Басқалар жүйелі әсерлер қызыл жылшу-қашықтық арақатынасын түсіндіре алады деп ұсынды. Осыған байланысты Фриц Цвикки 1929 жылы «шаршаған жарық» механизмін ұсынды. Цвикки фотондар статикалық ғалам арқылы ұзақ қашықтықтарға қозғалғанда, материямен немесе басқа фотондармен өзара әрекеттесу арқылы немесе жаңа физикалық механизм арқылы энергияны бірте-бірте жоғалтады деп болжады. Энергияның төмендеуі жарықтың толқын ұзындығының ұлғаюына сәйкес келетіндіктен, бұл әсер спектрлік сызықтарда қызыл жылшуды тудырады, ол көздің қашықтығымен пропорционалды түрде артады. «Шаршаған жарық» терминін 1930 жылдардың басында Ричард Толман осы идеяны білдіру үшін қолданды. Хельге Краг «Цвиккидің гипотезасы кеңейіп жатқан ғаламға ең танымал және ең толық балама болды, бірақ ол жалғыз емес еді. 1930 жылдары оннан астам физиктер, астрономдар және әуесқой ғалымдар галактикааралық материямен өзара әрекеттесетін және энергиясының бір бөлігін беруге қабілетті тұмандық фотондар туралы «шаршаған жарық» идеяларын ұсынды». Краг атап өткендей, Джон Куинси Стюарт, Уильям Дункан Макмиллан және Вальтер Нернст. Шаршаған жарық механизмдері Үлкен жарылыс және Тұрақты күй космологияларына ұсынылған баламалардың бірі болды, екеуі де FRW метрикасының ғаламның жалпы салыстырмалы кеңеюіне сүйенді. ХХ ғасырдың ортасында көптеген космологтар осы екі парадигманың біреуін қолдады, бірақ жалпы салыстырмалылыққа балама іздеген ғалымдар шаршаған жарық баламасымен жұмыс істеді. Байқаулық космологияның ғылымы ХХ ғасырдың соңында дамып, оған байланысты деректер көбейіп, нақтырақ болғаннан кейін, Үлкен жарылыс космологиялық теория ретінде пайда болды, оны бақылау деректері ең көп қолдады, және ол ғаламның жай-күйі мен эволюциясын дәл анықтайтын қазіргі параметрленуімен қабылданған консенсус модель болып қала береді. «Шаршаған жарық космологиясы» туралы ұсыныстар қазір тарихтың қоқыс шелегіне тасталғанмен, толыққанды баламалы ұсыныс ретінде 1980 жылдарға дейін космологиялық мәтіндерде қарастырылатын алыстан ықтимал деп саналды, бірақ ол негізгі астрофизиктердің мүмкін емес және арнайы ұсынысы ретінде қабылданбады. 1990 жылдардан бастап және XXI ғасырда көптеген жалған бақылаулар «шаршаған жарық» гипотезаларының космологиялық қызыл жылшулар үшін жарамды түсіндірме емес екенін көрсетті. Мысалы, шаршаған жарық механизмдері бар статикалық ғаламда жұлдыздар мен галактикалардың беткі жарықтығы тұрақты болуы керек, яғни, объект неғұрлым алыс болса, біз соғұрлым аз жарық аламыз, бірақ оның көрінетін ауданы да азаяды, сондықтан алынған жарық пен көрінетін аудан арақатынасы тұрақты болуы керек. Кеңейіп жатқан ғаламда беткі жарықтық қашықтықпен азаяды. Байқалатын объект алыстағанда, фотондар азайтылған жылдамдықпен шығарылады, өйткені әр фотон бұрынғыдан сәл ұзақ қашықтықты жүзеге асыруы керек, ал оның энергиясы ұлғайған қызыл жылшуға байланысты сәл төмендейді. Екінші жағынан, кеңейіп жатқан ғаламда объект бізге жақын болған кезде фотондардың басталуына байланысты одан да үлкен көрінеді. Бұл статикалық және кеңейіп жатқан ғалам арасындағы объектілердің беткі жарықтығының айырмашылығына әкеледі. Бұл Толманның беткі жарықтық тестісі деп белгілі, ол осы зерттеулерде кеңейіп жатқан ғалам гипотезасын қолдайды және статикалық шаршаған жарық модельдерін жоққа шығарады. Қызыл жылшу тікелей байқалады және космологтар оны қарау уақытының тікелей өлшемі ретінде пайдаланады. Олар көбінесе объектілердің жасын және қашықтығын жылдар немесе жарық жылдары емес, қызыл жылшу арқылы көрсетеді. Мұндай масштабта Үлкен жарылыс шексіз қызыл жылшуға сәйкес келеді.

Tired light was an idea that came about due to the observation made by Edwin Hubble that distant galaxies have redshifts proportional to their distance. Redshift is a shift in the spectrum of the emitted electromagnetic radiation from an object toward lower energies and frequencies, associated with the phenomenon of the Doppler effect. Observers of spiral nebulae such as Vesto Slipher observed that these objects (now known to be separate galaxies) generally exhibited redshift rather than blueshifts independent of where they were located. Since the relation holds in all directions it cannot be attributed to normal movement with respect to a background which would show an assortment of redshifts and blueshifts. Everything is moving away from the Milky Way galaxy. Hubble's contribution was to show that the magnitude of the redshift correlated strongly with the distance to the galaxies. Basing on Slipher's and Hubble's data, in 1927 Georges Lemaître realized that this correlation could fit non static solutions to the equations of Einstein's theory of gravity, the Friedmann–Lemaître solutions. However Lemaître's article was appreciated only after Hubble's publication of 1929. The universal redshift distance relation in this solution is attributable to the effect an expanding universe has on a photon traveling on a null spacetime interval (also known as a "light like" geodesic). In this formulation, there was still an analogous effect to the Doppler effect, though relative velocities need to be handled with more care since distances can be defined in different ways in an expanding universe. At the same time, other explanations were proposed that did not concord with general relativity. Edward Milne proposed an explanation compatible with special relativity but not general relativity that there was a giant explosion that could explain redshifts (see Milne universe). Others proposed that systematic effects could explain the redshift distance correlation. Along this line, Fritz Zwicky proposed a "tired light" mechanism in 1929. Zwicky suggested that photons might slowly lose energy as they travel vast distances through a static universe by interaction with matter or other photons, or by some novel physical mechanism. Since a decrease in energy corresponds to an increase in light's wavelength, this effect would produce a redshift in spectral lines that increase proportionally with the distance of the source. The term "tired light" was coined by Richard Tolman in the early 1930s as a way to refer to this idea. Helge Kragh has noted "Zwicky’s hypothesis was the best known and most elaborate alternative to the expanding universe, but it was far from the only one. More than a dozen physicists, astronomers and amateur scientists proposed in the 1930s tired light ideas having in common the assumption of nebular photons interacting with intergalactic matter to which they transferred part of their energy." Kragh noted in particular John Quincy Stewart, William Duncan MacMillan, and Walther Nernst. Tired light mechanisms were among the proposed alternatives to the Big Bang and the Steady State cosmologies, both of which relied on the general relativistic expansion of the universe of the FRW metric. Through the middle of the twentieth century, most cosmologists supported one of these two paradigms, but there were a few scientists, especially those who were working on alternatives to general relativity, who worked with the tired light alternative. As the discipline of observational cosmology developed in the late twentieth century and the associated data became more numerous and accurate, the Big Bang emerged as the cosmological theory most supported by the observational evidence, and it remains the accepted consensus model with a current parametrization that precisely specifies the state and evolution of the universe. Although the proposals of "tired light cosmologies" are now more or less relegated to the dustbin of history, as a completely alternative proposal tired light cosmologies were considered a remote possibility worthy of some consideration in cosmology texts well into the 1980s, though it was dismissed as an unlikely and ad hoc proposal by mainstream astrophysicists. By the 1990s and on into the twenty first century, a number of falsifying observations have shown that "tired light" hypotheses are not viable explanations for cosmological redshifts. For example, in a static universe with tired light mechanisms, the surface brightness of stars and galaxies should be constant, that is, the farther an object is, the less light we receive, but its apparent area diminishes as well, so the light received divided by the apparent area should be constant. In an expanding universe, the surface brightness diminishes with distance. As the observed object recedes, photons are emitted at a reduced rate because each photon has to travel a distance that is a little longer than the previous one, while its energy is reduced a little because of increasing redshift at a larger distance. On the other hand, in an expanding universe, the object appears to be larger than it really is, because it was closer to us when the photons started their travel. This causes a difference in surface brilliance of objects between a static and an expanding Universe. This is known as the Tolman surface brightness test that in those studies favors the expanding universe hypothesis and rules out static tired light models. Redshift is directly observable and used by cosmologists as a direct measure of lookback time. They often refer to age and distance to objects in terms of redshift rather than years or light years. In such a scale, the Big Bang corresponds to a redshift of infinity.