Gravitacinis raudonasis poslinkis

Šiam straipsniui ar jo daliai . Jūs galite padėti Vikipedijai pridėdami su šaltiniais.

Gravitacinis raudonasis poslinkis fizikoje ir astronomijoje – elektromagnetinės spinduliuotės dažnio sumažėjimas tolstant nuo masyvių objektų. Optiškai tai pasireiškia kaip spektrinių linijų poslinkis į raudonąją spektro pusę.

Neutroninės žvaigždės raudonojo gravitacinio poslinkio vaizdavimas (Žvaigždė šviečia melsvai, kuo toliau tolstama, šviesos spalva rausvėja.

Fizikos požiūriu, tam tikro bangos ilgio šviesą – ar kitą elektromagnetinio spinduliavimo formą, – kurios šaltinis yra didesnės gravitacijos lauke (ir kuri, galima sakyti, yra iškopusi iš gravitacinės duobės), silpnesnės gravitacijos lauke esantis stebėtojas priima ilgesnėmis bangomis. Tokios šviesos mažesnė energetinė vertė, didesnis bangos ilgis ir mažesnis dažnis. Šis efektas vadinamas raudonuoju gravitaciniu poslinkiu. Šis poslinkis pastebimas visame elektromagnetinių bangų spektre.

Į stipresnės gravitacijos lauką patekusi šviesa pasižymi energijos pagausėjimu ir sakoma, kad įvyko mėlynasis gravitacinis poslinkis.

Apibrėžimas

Raudonasis poslinkis paprastai žymimas kintamuoju z.

${\displaystyle z={\frac {\lambda _{o}-\lambda _{e}}{\lambda _{e}}}}$

Čia:

${\displaystyle \lambda _{o}\,}$ elektromagnetinio spinduliuotės (fotono) bangos ilgis, apskaičiuotas stebėtojo.

${\displaystyle \lambda _{e}\,}$ elektromagnetinio spinduliuotės (fotono) bangos ilgis spinduliavimo šaltinyje.

Žvaigždės atveju, raudonasis gravitacinis poslinkis gali būti prognozuojamas pagal bendrosios reliatyvumo teorijos (Albert Einstein: Relativity - Appendix - Appendix III - The Experimental Confirmation of the General Theory of Relativity) naudojamą formulę:

${\displaystyle z_{approx}={\frac {GM}{c^{2}r}}}$

Čia:

${\displaystyle z_{approx}\,}$ dėl gravitacijos poveikio vykstantis spektrinių linijų pokytis, kurį iš toli stebi atviroje erdvėje esantis subjektas. ${\displaystyle G\,}$ Niutono gravitacijos konstanta (visuotinės traukos dėsnyje ir paties Einšteino naudojamas kintamasis). ${\displaystyle M\,}$ kūno, iš kurio sklinda šviesa, masė. ${\displaystyle c\,}$ šviesos greitis. ${\displaystyle r\,}$ tiriamo objekto spindulys.

Naudojantis masės ir energijos sąryšiu, susiejančiu energiją su fotono bangos ilgiu, raudonasis gravitacinis poslinkis lygus fotono energijos sumažėjimui.

Istorija

1783 m. Johnas Michellas, vystydamas Izaoko Niutono idėją, kad šviesa sudaryta iš balistinių dalelių, rado gravitacinį jos silpnėjimą didelio sunkio žvaigždėse. Šviesos ir sunkio priklausomybę toliau tyrinėjo ir Johanas Dž. Von Soldneris (1801), kol 1911 m. Einšteinas savo darbe apie šviesą ir sunkį vėl iš naujo išvedė šio reiškinio paaiškinimą. Netrukus Filipas Lenardas apkaltino jį Soldnerio darbų plagijavimu. Vis dėlto, turint galvoje, kad idėja iki tol buvo pakankamai miglota, visai įmanoma, kad Einšteinas anksčiau nebuvo susidūręs su kitais reiškinį tyrinėjančiais darbais. Kad ir kaip bebūtų, Einšteinas pralenkė savo pirmtakus, pastebėjęs, kad svarbiausia gravitacinių poslinkių pasekmė yra gravitacinis laiko sulėtėjimas.

Svarbiausios pastabos

• Norėdamas stebėti raudonąjį gravitacinį poslinkį, šviesos perdavimo metu stebėtojas turi stovėti didesnės potencialiosios traukos energijos lauke, t. y. gravitacinės duobės įkalnėje, arba aukščiau šviesos šaltinio. Jei gavėjas atsidurs mažesnės potencialiosios traukos energijos lauke, bus matomas mėlynasis gravitacinis poslinkis.
• Įvairių universitetų atliekami bandymai patvirtina raudonojo gravitacinio poslinkio egzistavimą.
• Raudonasis gravitacinis poslinkis nustatomas remiantis ne tik reliatyvumo, bet ir kitomis teorijomis, kurios taip pat patvirtina raudonojo gravitacinio poslinkio egzistavimą, tačiau skirtingai aiškina šio reiškinio priežastis.
• Raudonasis gravitacinis poslinkis nepaklūsta Švarcšildo (pasiūlytam) metriniam Einšteino lauko lygties sprendimui, kur kintamuoju M neišreiškiama besisukančio ar krūvinio kūno masė.

Patvirtinimas

Pradžioje daugelis tyrėjų tvirtino pastebėję reiškinį naudodamiesi astronominiais matavimų metodais. Galiausiai 1925 m. W. S. Adamsas tikrai pastebėjo šį reiškinį Sirijaus spektrinėse linijose. Vis dėlto kai kurie mokslininkai (pvz., C. M. Willas) kritikavo iki 1960 m. atliktus matavimus. Laikoma, kad 1959-1965 m. šis reiškinys buvo galutinai patvirtintas Poundo, Rebkos ir Snaiderio atliktais eksperimentais.

1959 m. Poundas ir Rebka, naudodamiesi Žemėje esančiu ⁵⁷Fe gama šaltiniu, išmatavo raudonąjį gravitacinį poslinkį spektrinėse linijose. Šį eksperimentą dokumentais patvirtino Harvardo universiteto Lymano fizikos laboratorijos mokslininkai. Tačiau dažniausiai cituojamas praktinis raudonojo gravitacinio poslinkio patvirtinimas yra 1965 m. atliktas Poundo ir Snaiderio eksperimentas.

Pritaikymas

Raudonasis gravitacinis poslinkis stebimas įvairiose astrofizikinių tyrinėjimų srityse.

Tikslūs sprendimai

Tikslūs Einšteino lauko lygčių sprendimai pateikti lentelėje žemiau:

	Nesisukantis	Besisukantis
Be krūvio
Su krūviu

Raudonasis gravitacinis poslinkis paprastai skaičiuojamas pagal lygtį, kuri taikoma sferiškai simetriškai, nesisukančiai ir neturinčiai krūvio masei:

${\displaystyle z={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {2GM}{rc^{2}}}\right)}}}-1}$, kur:

• ${\displaystyle G\,}$ gravitacijos konstanta,
• ${\displaystyle M\,}$ gravitacinį lauką kuriančio objekto masė,
• ${\displaystyle r\,}$ gavėjo radialinė koordinatė (analogiška įprastai skaičiuojamam atstumui nuo objekto centro – vadinamajai Švarcšildo koordinatei),
• ${\displaystyle c\,}$ šviesos greitis.

Raudonasis gravitacinis poslinkis ir Gravitacinis laiko sulėtėjimas

Naudojantis specialiosios reliatyvumo teorijos Doplerio efekto priklausomybėmis, norint apskaičiuoti energijos arba dažnio pokytį (nepaisant šalutinių poveikių, pvz.: erdvės iškraipymų aplink juodąsias bedugnes), gravitacinis raudonasis ir mėlynasis poslinkių dažniai yra atvirkščiai proporcingi vienas kitam, taigi stebimas dažnio pokytis priklauso nuo laiko tėkmės pokyčio.