Урок 6. Свет и спектры

Астрономия · ~35 минут

Астроном никогда не держал в руках кусочек звезды. Всё, что до нас долетает, — это свет. И оказалось, что света достаточно: по нему узнают, из чего звезда состоит, как она движется, и даже что вся Вселенная расширяется. А ещё свет — настоящая машина времени: глядя вдаль, мы всегда смотрим в прошлое. Разберёмся, как читать это космическое письмо.

🎯 Что ты узнаешь

• Почему, глядя далеко в космос, мы видим прошлое.
• Что такое спектр и как он выдаёт состав звезды.
• Как эффект Доплера превращает свет в спидометр.
• Что такое красное смещение и почему оно означает расширение Вселенной.

📖 Разбираемся в теме

Свет как машина времени

Свет быстр, но не мгновенен: c ≈ 3·10⁸ м/с. Любой свет, дошедший до нас, вышел из источника раньше — значит, мы видим источник таким, каким он был в прошлом.

• Луна: свет идёт ≈ 1,3 секунды — видим её на секунду в прошлом.
• Солнце: ≈ 8 минут — видим восьмиминутной давности.
• Ближайшая звезда: 4,2 года.
• Соседняя галактика Андромеды: ≈ 2,5 млн лет — мы видим её такой, какой она была до появления человека.

🤔 А знаешь ли ты? Если какая-то звезда в 4000 световых лет от нас взорвалась сегодня, мы узнаем об этом только через 4000 лет. А некоторые звёзды, которые мы сейчас видим на небе, возможно, уже давно погасли — их «последнее письмо» ещё в пути.

📌 Запомни: «смотреть далеко» в астрономии = «смотреть в прошлое». Самый далёкий свет во Вселенной — реликтовое излучение — путешествует к нам почти 13,8 млрд лет, с эпохи молодой Вселенной.

Спектр: разложить свет по цветам

Пропусти солнечный свет через призму или дифракционную решётку — он растянется в радугу (спектр), от красного к фиолетовому. Цвет соответствует длине волны света: у красного она длиннее (около 700 нм), у фиолетового короче (около 400 нм).

Но в спектре звезды есть тонкость: на радуге видны тёмные линии (линии поглощения) — узкие «провалы» на определённых длинах волн. Причина: каждый химический элемент поглощает свет строго на своих длинах волн — как штрихкод. Водород даёт один набор линий, гелий — другой, натрий — третий.

💡 Именно так открыли гелий: сначала его линии нашли в спектре Солнца (отсюда и имя — от греческого «гелиос», Солнце), и только потом обнаружили гелий на Земле.

Читая эти линии, астроном узнаёт: из чего звезда состоит, какая у неё температура, и (сейчас увидим) как она движется.

📌 Запомни: спектральные линии — это «отпечатки пальцев» элементов. Один взгляд на спектр — и ясен химический состав объекта за миллионы световых лет.

Эффект Доплера: свет как спидометр

Ты слышал, как меняется звук сирены: при приближении — выше, при удалении — ниже. Это эффект Доплера: у приближающегося источника волны «поджимаются» (длина волны короче), у удаляющегося «растягиваются» (длиннее).

Со светом то же самое:

• источник приближается → длины волн короче → линии сдвигаются к синему краю (голубое смещение);
• источник удаляется → длины волн длиннее → линии сдвигаются к красному краю (красное смещение).

Величина сдвига говорит о скорости вдоль луча зрения. Для скоростей много меньше c: $$\frac{\Delta\lambda}{\lambda} \approx \frac{v}{c},$$ где λ — длина волны линии, Δλ — её сдвиг.

Красное смещение и расширение Вселенной

В начале XX века Весто Слайфер и затем Эдвин Хаббл измерили спектры далёких галактик. Открылось поразительное:

1. почти все галактики показывают красное смещение — то есть удаляются от нас;
2. чем галактика дальше, тем быстрее она убегает.

Это закон Хаббла: $v \approx H_0 \cdot D$, где $H_0 \approx 70\ \text{км/с на мегапарсек}$. То есть галактика на расстоянии 1 Мпк удаляется со скоростью ≈ 70 км/с, на 10 Мпк — ≈ 700 км/с, и так далее.

Значит ли это, что мы в центре, а все от нас бегут? Нет!

📌 Запомни: расширяется само пространство между галактиками, а не галактики летят сквозь неподвижную пустоту. Представь надувающийся воздушный шарик с нарисованными точками: с любой точки кажется, что все остальные удаляются, и дальние — быстрее. Центра «разбегания» нет ни у кого.

⚠️ Внутри галактик и звёздных систем расширение не действует: там тяготение держит всё вместе. Расширяются только огромные пустоты между галактиками. Кстати, Андромеда даже приближается к нам — её тянет гравитация.

Если прокрутить расширение назад во времени, всё было сжато в одну точку — это и есть идея Большого взрыва, начала Вселенной около 13,8 млрд лет назад.

✍️ Разбор примера

Задача. Известная линия водорода в лаборатории имеет длину волны λ = 656 нм. В спектре галактики та же линия смещена к красному на Δλ = 2,2 нм. С какой скоростью галактика удаляется?

Решение. По формуле Доплера: $$\frac{\Delta\lambda}{\lambda} = \frac{v}{c} \quad\Rightarrow\quad v = c\cdot\frac{\Delta\lambda}{\lambda}.$$ Считаем: $$\frac{\Delta\lambda}{\lambda} = \frac{2{,}2}{656} \approx 0{,}00335.$$ Тогда $$v = 3\cdot10^{5}\ \text{км/с} \times 0{,}00335 \approx 1000\ \text{км/с}.$$ Галактика убегает со скоростью около 1000 км/с. (По закону Хаббла это соответствует расстоянию ≈ 1000/70 ≈ 14 Мпк.)

📝 Задачи

1. Свет от галактики шёл к нам 2,5 млн лет. На каком она расстоянии в световых годах? В километрах (порядок величины)?
2. Расположи по длине волны от короткой к длинной: красный, зелёный, фиолетовый, оранжевый свет. У какого цвета волна самая длинная?
3. Линия в спектре звезды сдвинута к синему краю. Звезда приближается или удаляется? Что это значит физически?
4. Линия λ = 500 нм сдвинута на Δλ = 0,05 нм к красному. Найди скорость источника вдоль луча зрения.
5. Галактика удаляется со скоростью 3000 км/с. Оцени расстояние до неё по закону Хаббла (H₀ ≈ 70 км/с/Мпк). Ответ — в мегапарсеках.
6. Почему по спектру можно узнать состав звезды, до которой невозможно долететь? Что играет роль «штрихкода»?
7. Возраст Вселенной ≈ 13,8 млрд лет. Свет реликтового излучения летит к нам почти всё это время. Оцени порядок этого пути в световых годах и в километрах.
8. На поверхности воздушного шарика нарисованы три точки в ряд: A, B, C на равных расстояниях. Шарик надувают, все расстояния растут вдвое. Во сколько раз выросло расстояние A–B и A–C? Наблюдатель в точке A: какая точка «убежала» быстрее? Как это иллюстрирует закон Хаббла?