(Nasledujúci text nepribližuje nové výsledky výskumu, ale vznikol na základe diskusie, ktorá sa rozvinula pod článkom Dešifrovali sme posolstvo supernovy z raného vesmíru. Snaží sa o čo najjednoduchšie vysvetlenie rozdielov ako vzniká červený posun v spektre elektromagnetického žiarenia, keď sa vzhľadom na pozorovateľa pohybuje zdroj, alebo sa rozpína celý vesmírny priestor.)
Keď kmitá elektricky nabitá častica
Predstavme si fyzikálne nerealistický obraz: elektrický náboj, napríklad elektrón, len tak nehybne vegetujúci v časopriestore. Siločiary elektrického poľa sa z neho priamočiaro rozbiehajú do všetkých smerov, magnetické pole by sme v jeho okolí nenamerali.
Tento elektrón začne oscilovať, čo už je situácia v reálnom svete bežná. Jeho kmitanie rozvlní predtým „rovné“ siločiary a ak sa to deje vo vákuu, vzruch sa bude priestorom šíriť rýchlosťou svetla, teda takmer 300 tisíc kilometrov za sekundu. Vzniká elektromagnetické vlnenie, ktoré môžeme chápať aj ako prúd fotónov, elementárnych častíc, ktoré predstavujú len kvantá energie a nemajú žiadnu takzvanú pokojovú hmotnosť. Nikdy sa však v pokoji nenachádzajú, sú vlastne len "balíčkami" energie. Sprostredkúvajú elektromagnetickú interakciu, jednu zo štyroch známych fyzikálnych "síl". Zvyšnú trojicu tvorí gravitačná, silná jadrová a slabá jadrová interakcia.
Rýchlosť fotónov vo vákuu predstavuje pre reálny svet absolútny rýchlostný limit, známu hodnotu c = takmer 300 tisíc km/s. Je to práve dôsledok spomínanej vlastnosti - nemajú (pokojovú) hmotnosť, ale sú len energetickými kvantami. Aby hmotná častica dosiahla rýchlosť svetla vo vákuu, musela by byť urýchľovaná nekonečným množstvom energie. A to je nereálne.
Energia, ktorú fotón doslova „stelesňuje“, je priamo úmerná frekvencii žiarenia, teda frekvencii oscilácie zdrojového náboja. Hodnotu tohto fotónového energetického kvanta vypočítame pomerne jednoducho – vynásobením takzvanej Planckovej konštanty (h = 6.62606896×10−34 J.s, alebo 4.13566733×10−15 eV.s) a frekvencie "f" (čiže E = h.f). Čím nižšia je frekvencia kmitania, tým väčšia je vlnová dĺžka vznikajúceho vlnenia a tým je energia fotónu menšia. Výška vlny, čiže amplitúda vlnenia je spätá s intenzitou žiarenia, no v tomto prípade je výpočet o niečo zložitejší. Zjednodušene môžeme intenzitu žiarenia vnímať ako hustotu fotónov s konkrétnou energiou.
Názornú simuláciu ponúka napríklad táto stránka, ktorá sa otvorí aj kliknutím na nasledujúci obrázok:
Na originálnej stránke je animácia vlnenia len pre spektrálnu oblasť viditeľného svetla, ale platí to (až na „farbu“) pre celú škálu elektromagnetického žiarenia. Posuvnými regulátormi pod obrázkom sa dá nastaviť frekvencia, čím sa začne nepriamo úmerne meniť vlnová dĺžka a zároveň priamo úmerne energia. Alebo je možné meniť amplitúdu. Táto zmena sa na predchádzajúcich parametroch neodrazí, prejaví sa v intenzite farby, ktorá znázorňuje intenzitu žiarenia.
Keď sa zdroj žiarenia pohybuje
Predstavme si teraz, že by sme boli schopní zachytávať aj na veľkú vzdialenosť elektromagnetické žiarenie vysielané jediným konkrétnym kmitajúcim nábojom, napríklad spomínaným elektrónom. Pre zjednodušenie predstavy, nech nepôsobia žiadne iné vplyvy, ako napríklad rozpínanie priestoru, či gravitácia. Ak sa od nás elektrón nevzďaľuje, ani sa k nám nepribližuje, čiže naša vzájomná vzdialenosť je stále rovnaká, elektromagnetická vlna, ktorá sa od neho šíri sa taktiež nemení. Blízko elektrónu by sme namerali jej rovnaké parametre, aké nameriame, keď doletí k Zemi. A to bez ohľadu na vzdialenosť. Keby však tento elektrón letel smerom od nás veľkou, ale stálou rýchlosťou, hoci by sa frekvencia jeho oscilácií nezmenila, vlnová dĺžka žiarenia emitovaného smerom k nám by sa zväčšila len vďaka jeho pohybu.
Pre názornú predstavu označme vrcholy vznikajúcej elektromagnetickej vlny farebnou bodkou (viď. obrázok). Od nás sa vzďaľujúci elektrón vysiela tieto značky s menšou frekvenciou (teda za jednotku času ich vyšle menej) v porovnaní so situáciou, keď sa naša vzájomná vzdialenosť nemení. Každá nasledujúca značka je totiž vyslaná z nepatrne väčšej diaľky. Rozdiel predstavuje dráha, ktorú za okamih od vyslania predchádzajúcej značky elektrón prekonal. Práve o tento nepredstaviteľne malý rozdiel vlnová dĺžka narastie. Ak by elektrón letel smerom k nám, situácia by bola opačná, každý vrchol vlny by sa tvoril o nepredstaviteľne malú vzdialenosť bližšie, než jeho predchodca. Tak by približujúci sa elektrón vlnovú dĺžku vlastného žiarenia skrátil (alebo skracoval, ak by išlo o zrýchlený pohyb). Je to vlastne známy Dopplerov efekt, ktorý poznáme z akustiky. Jeho názorné priblíženie ponúka animácia na stránke (otvorí sa aj kliknutím na nasledujúci obrázok),
kde je treba odkliknúť okienko „Source motion enabled“, zvoliť spôsob pohybu „linear“, alebo „circular“ a zvoliť si rýchlosť. Rýchlosť zdroja môže prekročiť rýchlosť, ktorou sa šíri vlna, ako je to v akustike bežné u nadzvukových stíhačiek. Pre elektromagnetické vlnenie šíriace sa vákuom (kde sa zasa zvuk nešíri vôbec) je simulácia platná len, kde sa zdroj pohybuje oveľa pomalšie než sa v ňom šíria vlny.
Keď sa vesmírny priestor rozpína
Vráťme sa ale k nášmu kmitajúcemu elektrónu, ktorý k nám vysiela elektromagnetické žiarenie. Umiestnime ho veľmi ďaleko od Zeme, napríklad do vzdialenosti jednej miliardy svetelných rokov, pretože teraz čas bude dôležitý. Fotóny, ktoré oscilujúci vzdialený elektrón vyžiari, by sme v reálnej situácii na takú diaľku nemohli zachytiť, ale myšlienkové experimenty nám takúto predstavu umožňujú. Zrušme aj iné rušivé svetelné a gravitačné zdroje a nechajme vesmír sa rozpínať, čo zodpovedá pozorovanej realite. Priestor, ktorý sa neustále zväčšuje, unáša elektrón preč od každého pozorovateľa, bez ohľadu kde v expandujúcom vesmíre je. Čiže aj vzhľadom na nás sa opäť vzďaľuje. A čím je ďalej, tým jeho únik rýchlejší (Hubblov zákon). Preto ako pozorovatelia nameriame nárast vlnovej dĺžky rovnaký, ako keby sa elektrón vzďaľoval vlastným pohybom stále rýchlejšie. Čo sa však v tejto situácii stane s elektromagnetickou vlnou šíriacou sa priestorom? Opäť si predstavme farebné značky na vrcholoch sínusoidy a uvedomme si, že priestor sa rozpína pomaly, ale vytrvalo – aj ten medzi značkami. Ako povrch nafukovaného detského balóniku.
Urobme typicky „einsteinovský“ myšlienkový experiment (podobné myšlienkové experimenty robil Einstein a vďaka nim dokázal prekročiť hranicu reality na ktorú sme zvyknutí a vykročiť smerom k nepredstaviteľne rozľahlým priestorom a vysokým rýchlostiam, pri ktorých sa nielen zastavuje ľudská predstavivosť, ale aj čas. Vytvoril tak úžasnú teóriu, ktorú dlho po jej publikovaní nemal kto a ako overiť a doposiaľ ju fyzici s nadšením opakovane testujú). Predstavme si, že letíme rýchlosťou svetla povedľa elektromagnetickej vlny emitovanej našim elektrónom a dokážeme ju vidieť ako sínusoidu. Spočiatku by sme si nič nevšimli. Už to je výrazný rozdiel so situáciou, keď sa pohybuje samotný zdroj a vlnenie je pozmenené hneď pri vyžiarení a pokiaľ na neho nepôsobia iné vplyvy sa cestou ďalej nezmení, a to ani po dlhej dobe. Ak však dochádza k expanzii priestoru, potom by sme až po rokoch presným meraním zaznamenali, že vzdialenosť medzi značkami na vrcholoch vlny (vedľa ktorých stále ako pozorovatelia letíme) postupne nepatrne, ale vytrvalo narastá.
Čiže ak elektromagnetické vlnenie prechádza zväčšujúcim sa priestorom, aj tá malá vzdialenosť medzi značkami sa nepredstaviteľne pomaly stále rozpína a naťahuje vlnovú dĺžku, čim klesá energia žiarenia. V prípade, že sa vesmír zmenšuje, vzdialenosť medzi značkami sa pomaličky postupne skracuje a energia narastá. Na elektromagnetických vlnách sa tak podpisuje nielen rýchlosť, akou sa rozpína, či scvrkáva priestor, ktorým sa šíria, ale aj čas, teda ako dlho sa ním šíria. Preto expandujúci vesmír dokáže za dostatočne dlhú dobu pozmeniť elektromagnetické žiarenie oveľa viac, ako by to dokázal len vlastný pohyb zdroja. Vlnová dĺžka najstaršieho kozmického žiarenia, ktoré dnes vnímame ako mikrovlnné pozadie sa počas asi 13,32 miliardy rokov jeho existencie predĺžila viac ako tisíc násobne.
Svetlo sa posúva do modra a do červena
Mieru skrátenia vlnovej dĺžky stanovujeme pomocou takzvaného modrého posunu (blueschift) a mieru predĺženia pomocou červeného posunu (redshift). Názvy vznikli v dobách, keď sa vesmír pozoroval len v úzkej spektrálnej oblasti viditeľného svetla, v ktorom má červená farba najdlhšiu a modrá najkratšiu vlnovú dĺžku. V súčasnosti sa však tieto pojmy používajú pre skrátenie, či nárast vlnovej dĺžky celého spektra elektromagnetických vĺn, aj keď mimo viditeľnej oblasti to už nemusí zodpovedať realite. Ak sa napríklad infračervenému (tepelnému) žiareniu predĺži vlnová dĺžka, posunie sa v spektrálnej škále smerom k mikrovlnám a od červeného viditeľného svetla sa vzdiali. Napriek tomu opäť pôjde o červený posun (zachováva sa smer posunu). To, čo ale platí bez výnimky pre všetky elektromagnetické vlny je, že ak sa u nich prejaví modrý posun, čiže sa zvýši ich frekvencia a zníži vlnová dĺžka, energia narastie. A naopak – červený posun znižuje energiu žiarenia (E = Planckova konštanta x frekvencia).
Práve energia je to, čo odlišuje nebezpečné ionizujúce žiarenie (od vysokofrekvenčného UV, cez röntgenové lúče po gama žiarenie) od neionizujúceho (viditeľné svetlo, mikrovlny a rádiové vlny). Fotóny ionizujúceho žiarenia majú dostatok energie na to, aby z atómov, do ktorých sa strafia, vyrazili valenčný elektrón, čiže z nich „vyrobili“ ión. V bunkách živých organizmov tak môže dochádzať napríklad k poškodeniu DNA, čo výrazne zvyšuje vznik nádorových ochorení.
Ale späť do vesmíru. Na elektromagnetickom žiarení ktoré zaznamenáme teleskopmi nie je napísané kedy, z akého zdroja a s akou energiou bolo emitované, ako a kam sa vzhľadom na nás ich zdroj pohyboval, či ako dlho a akým priestorom prechádzalo. Je to len výsledkom našich dlhodobých pozorovaní, poznatkov a teórií, že vieme, ako žiaria hviezdy v rôznych štádiách svojho vývoja, ako kvazary, pulzary, a iné exotické objekty. Určité informácie však svetlo so sebou prináša. Okrem jeho frekvencie a intenzity vieme z neho „prečítať“ hodnotu červeného /modrého/ posunu, ak v jeho spektre odhalíme napríklad absorpčné čiary vodíku. Keď žiarenie preniká oblakmi plynu, ktorého podstatnú zložku vo vesmíre tvorí vodík, jeho atómy absorbujú vlny s frekvenciami odpovedajúcimi jeho ionizačným energiám. Tieto vlnové dĺžky potom v prichádzajúcom spektre chýbajú. Vieme, kde tieto medzery sú v spektre ničím neovplyvneného žiarenia. Ich posun v spektrálnej škále zachyteného svetla odhaľuje, ako sa jeho vlnová dĺžka zmenila.
Nech akokoľvek dlho sa ľubovoľná elektromagnetická vlna šíri priestorom, nech akokoľvek tento priestor naťahuje, či skracuje jej vlnovú dĺžku, alebo nech akokoľvek sa jej zdroj sám pohybuje, jedna vlastnosť jej ostáva nezmenená – vo vákuu sa šíri len známou rýchlosťou c = 299 792 458 metrov za sekundu. Aj vesmírna realita je zložitejšia, než zjednodušené myšlienkové experimenty. Na vlnových dĺžkach žiarenia, ktoré zachytíme v prístrojoch sa podpisujú oba opísané mechanizmy - vlastný pohyb zdroja vzhľadom na Zem i rozpínanie vesmírneho priestoru. Vo všeobecnosti platí, že u astronomicky blízkych vyžarujúcich objektoch prevládajú následky vlastného pohybu, u veľmi vzdialených zas vplyv expandujúceho priestoru.
Video znázorňujúce zmenu emitujúceho žiarenia, ktorú spôsobuje samotný pohyb zdroja voči pozorovateľovi:
Diskuze:
