రెడ్‌షిఫ్ట్

భౌతిక శాస్త్రంలో, తరంగదైర్ఘ్యం పెరగడం, అదే సమయంలో విద్యుదయస్కాంత వికిరణపు (కాంతి వంటివి) ఫ్రీక్వెన్సీ, ఫోటాన్ల శక్తి తగ్గడాన్ని రెడ్‌షిఫ్ట్ అంటారు. దీనికి వ్యతిరేకంగా ఉండే - తరంగదైర్ఘ్యం తగ్గడం, అదే సమయంలో ఫ్రీక్వెన్సీ, శక్తిలు పెరగడాన్ని వ్యతిరేక రెడ్‌షిఫ్ట్ (నెగటివ్ రెడ్‌షిఫ్ట్) లేదా బ్లూషిఫ్ట్ అని అంటారు. ఎరుపు, నీలం అనే రెండు పదాలు ఆయా రంగుల నుండి ఉద్భవించాయి. ఈ రెండూ దృగ్గోచర కాంతి స్పెక్ట్రంకు రెండు చివరలా ఉండే రంగులు.

ఖగోళ శాస్త్రం, విశ్వోద్భవ శాస్త్రం (కాస్మాలజీ) లో, విద్యుదయస్కాంత రెడ్‌షిఫ్ట్‌కి మూడు ప్రధాన కారణాలున్నాయి. అవి:

1. పరస్పరం దూరంగా వెళ్ళిపోతున్న రెండు వస్తువుల మధ్య రేడియేషను ప్రయాణిస్తుంది ("రిలెటివిస్టిక్" రెడ్‌షిఫ్ట్)
2. బలహీనమైన గురుత్వాకర్షణ పొటెన్షియల్ ఉన్న వస్తువు వైపుగా రేడియేషను ప్రయాణిస్తుంది. అనగా స్పేస్‌టైమ్‌ను తక్కువగా వంచే వస్తువు దిశగా రేడియేషను ప్రయాణిస్తుంది (గురుత్వాకర్షణ రెడ్‌షిఫ్ట్)
3. విస్తరిస్తున్న స్పేస్ గుండా రేడియేషను ప్రయాణిస్తుంది (కాస్మోలాజికల్ రెడ్‌షిఫ్ట్). తగినంత దూరాల్లో ఉన్న కాంతి మూలాలన్నీ భూమి నుండి వాటి దూరానికి అనుపాతంలో రెడ్‌షిఫ్ట్‌ని చూపుతాయనే పరిశీలనను హబుల్ న్యాయం అంటారు.

రిలెటివిస్టిక్, గురుత్వాకర్షణ, కాస్మోలాజికల్ రెడ్‌షిఫ్ట్‌లను ఫ్రేమ్ ట్రాన్స్‌ఫర్మేషన్ న్యాయాల గొడుగు కింద అర్థం చేసుకోవచ్చు. కాంతి వేగంతో ప్రయాణించే గురుత్వాకర్షణ తరంగాలు కూడా ఇదే రెడ్‌షిఫ్ట్ దృగ్విషయానికి లోబడి ఉంటాయి.

బలమైన రెడ్‌షిఫ్టింగ్‌కు ఉదాహరణలు - గామా కిరణాలు ఎక్స్-రే కిరణాలుగా గుర్తించబడడం. లేదా ప్రారంభంలో దృగ్గోచరమైన కాంతి, తరువాత రేడియో తరంగాలుగా గుర్తించబడడం. ఖగోళ వస్తువుల స్పెక్ట్రోస్కోపిక్ పరిశీలనలలో సూక్ష్మమైన రెడ్‌షిఫ్ట్‌లు కనిపిస్తాయి. డాప్లర్ రాడార్, రాడార్ గన్‌ల వంటి సాంకేతికతలలో దీన్ని ఉపయోగిస్తారు.

స్కాటరింగ్, ఆప్టికల్ ఎఫెక్ట్‌ల వంటి భౌతిక ప్రక్రియలు కూడా విద్యుదయస్కాంత వికిరణపు ఫ్రీక్వెన్సీలో మార్పుకు దారితీస్తాయి. అయితే, వీటి ఫలితంగా కలిగే మార్పులకు ఖగోళ రెడ్‌షిఫ్టుకూ ఉండే తేడాను గుర్తించే వీలుంది. అంచేత వీటిని రెడ్‌షిఫ్టుగా పరిగణించరు.

రెడ్‌షిఫ్ట్ విలువను z అక్షరంతో సూచిస్తారు. ఇది, రెడ్‌షిఫ్టు వలన తరంగదైర్ఘ్యంలో కలిగే తేడా. ఇది రెడ్‌షిఫ్ట్‌లకు పాజిటివ్, బ్లూషిఫ్ట్‌లకు నెగటివ్‌గా ఉంటుంది. అలాగే తరంగదైర్ఘ్య నిష్పత్తి 1 + z (ఇది రెడ్‌షిఫ్ట్‌లకు 1 కంటే ఎక్కువ గాను, బ్లూషిఫ్ట్‌లకు 1 కంటే తక్కువ గానూ ఉంటుంది) ద్వారా కూడా సూచిస్తారు.

స్పేస్ విస్తరణ

ఇరవయ్యవ శతాబ్దపు పూర్వ భాగంలో, స్లిఫర్, విర్ట్జ్ తదితరులు మొదటిసారిగా పాలపుంతకు ఆవల ఉన్న గెలాక్సీల రెడ్‌షిఫ్ట్‌లు, బ్లూషిఫ్ట్‌ల కొలతలు వేశారు. వారు మొదట్లో ఈ రెడ్‌షిఫ్ట్‌లు, బ్లూషిఫ్ట్‌లను యాదృచ్ఛిక కదలికల కారణంగా ఏర్పడినవని అనుకున్నారు. అయితే తరువాత లెమైత్రే (1927), హబుల్ (1929) లు మునుపటి డేటాను ఉపయోగించి, గెలాక్సీల పెరుగుతున్న రెడ్‌షిఫ్ట్‌లు, దూరాల మధ్య సుమారుగా ఒక రేఖీయ సంబంధాన్ని కనుగొన్నారు. ఐన్‌స్టీన్ చెప్పిన సాధారణ సాపేక్షత సమీకరణాలకు ఫ్రైడ్‌మాన్ చూపిన పరిష్కారాలలో కనిపించే రెడ్‌షిఫ్ట్‌లను ఉత్పత్తి చేసే విధానం ద్వారా ఈ పరిశీలనలను వివరించవచ్చని లెమైత్రే గ్రహించాడు. రెడ్‌షిఫ్ట్‌లకు, దూరాలకూ మధ్య ఉన్న సంబంధం, స్పేస్ యొక్క మెట్రిక్ విస్తరణ ఉన్న అన్ని మోడళ్లకు అవసరం. ^[1] ఫలితంగా, విస్తరిస్తున్న స్పేస్‌లో ఫోటాన్‌ల తరంగదైర్ఘ్యం సాగిపోయి, కాస్మోలాజికల్ రెడ్‌షిఫ్ట్‌ను సృష్టిస్తుంది.

సమీపంలోని వస్తువులు చూపే స్థానిక డాప్లర్-ఎఫెక్ట్ రెడ్‌షిఫ్టుకు, కాస్మోలాజికల్ సందర్భంలో కనిపించే రెడ్‌షిఫ్టుకూ మధ్య వ్యత్యాసం ఉంది. కాస్మోలాజికల్ రెడ్‌షిఫ్ట్‌లు ప్రత్యేక సాపేక్షత నియమాలకు లోబడి ఉండే సాపేక్ష వేగాల పర్యవసానంగా కాకుండా, ఫోటాన్లు ప్రయాణించే స్పేస్‌టైమ్‌కు సంబంధించిన గ్లోబల్ ఫీచర్ కారణంగా వాటి తరంగదైర్ఘ్యం, రెడ్‌షిఫ్టులు పెరుగుతాయి. ఈ ప్రభావానికి వివరణ ఏమిటంటే - స్వయంగా స్పేస్ కూడా విస్తరిస్తోంది. ^[2] దూరాలు పెరిగేకొద్దీ విస్తరణ పెరుగుతుంది కాబట్టి, రెండు రిమోట్ గెలాక్సీల మధ్య దూరం 3 ×10⁸ మీ/సె (కాంతి వేగం) కంటే ఎక్కువ వేగంతో పెరగవచ్చు. అయితే దీన్ని బట్టి గెలాక్సీలు ప్రస్తుతం తాము ఉన్న ప్రదేశంలో కాంతి వేగం కంటే వేగంగా కదులుతాయని అర్థం కాదు (లోరెంజ్ కోవేరియన్స్ దీన్ని నిషేధించింది).

కాస్మోలాజికల్, స్థానిక ప్రభావాల మధ్య తేడా

డాప్లర్ రెడ్‌షిఫ్ట్‌లు, బ్లూషిఫ్ట్‌లు, గాలక్సీల మధ్య పరస్పరం సాపేక్షంగా ఉండే కదలికల కారణంగా z < 0.01 ఉండే రెడ్‌షిఫ్టులలో ప్రామాణిక హబుల్ న్యాయం నుండి చెదరిపోతాయి. ఈ పరిస్థితిని విస్తరిస్తున్న రబ్బర్ షీట్ యూనివర్స్ ద్వారా ఉదహరించవచ్చు. స్పేస్ విస్తరణను వివరించడానికి ఉపయోగించే సాధారణ కాస్మోలాజికల్ సారూప్యత ఇది. రెండు ఖగోళ వస్తువులను బాల్ బేరింగ్‌ల తోను, స్పేస్‌టైమ్‌ను సాగే రబ్బరు షీటు ద్వారానూ సూచించినట్లయితే, షీట్‌లో బంతులను దొర్లించడం ద్వారా డాప్లర్ ఎఫెక్ట్‌ను సృష్టించవచ్చు. బాల్ బేరింగ్‌లు షీట్‌కు అతుక్కుపోయి, షీట్‌ని సాగదీసినప్పుడు కాస్మోలాజికల్ రెడ్‌షిఫ్ట్ ఏర్పడుతుంది.

ఎక్స్‌ట్రాగలాక్టిక్ పరిశీలనలు

అత్యంత సుదూరంలో ఉన్న వస్తువులు విశ్వపు హబుల్ ప్రవాహానికి అనుగుణంగా పెద్ద రెడ్‌షిఫ్ట్‌లను ప్రదర్శిస్తాయి. ఇప్పటివరకు గమనించిన అతిపెద్ద రెడ్‌షిఫ్టు, కాస్మిక్ మైక్రోవేవ్ బ్యాక్‌గ్రౌండ్ (సి.ఎం.బి) రేడియేషన్‌కు సంబంధించినది. దాని రెడ్‌షిఫ్టు విలువ సుమారు z = 1089. అంటే ఈ రేడియేషను దాదాపు 13.8 బిలియన్ సంవత్సరాల క్రితం నాటిదన్నమాట. ^[3] ( వర్తమాన కాలానికి z = 0 ఉంటుంది). బిగ్ బ్యాంగ్ ప్రారంభ క్షణాల తర్వాత 3,79,000 సంవత్సరాల తర్వాత విశ్వం ఉన్న స్థితిని కాస్మిక్ మైక్రోవేవ్ బ్యాక్‌గ్రౌండ్ రేడియేషను చూపుతుంది. ^[4]

లోకల్ గ్రూపు కంటే ఎక్కువ దూరం లోను, వెయ్యి మెగా పార్‌సెక్‌ ^{[గమనికలు 1]} లకు లోపల ఉన్న గెలాక్సీల విషయంలో, రెడ్‌షిఫ్టు గెలాక్సీ దూరానికి దాదాపు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. ఈ సంబంధాన్ని మొదట ఎడ్విన్ హబుల్ గమనించాడు. అంచేత దీనిని హబుల్ న్యాయం అని అంటారు. గెలాక్సీ రెడ్‌షిఫ్ట్‌లను 1912 సంవత్సరంలో వెస్టో స్లిఫెర్ కనుగొన్నాడు. అయితే హబుల్ స్లిఫర్ కొలతలను, తాను కొలిచిన దూరాలనూ పరస్పరం అనుసంధానించి, హబుల్ న్యాయాన్ని సిద్ధాంతీకరించాడు. సాధారణ సాపేక్షత ఆధారంగా విస్తృతంగా ఆమోదించబడిన కాస్మోలాజికల్ మోడల్‌లో, రెడ్‌షిఫ్ట్ అనేది ప్రధానంగా స్పేస్ విస్తరణ ఫలితంగా ఏర్పడుతుంది: మననుండి గెలాక్సీ దూరం ఎంత ఎక్కువగా ఉంటే, కాంతి ఆ గెలాక్సీని విడిచిపెట్టినప్పటి నుండి స్థలం అంత ఎక్కువగా విస్తరించిందని దీని అర్థం. అంచేత కాంతి ఎంత ఎక్కిఉవ సాగితే, కాంతి అంత ఎక్కువగా ఎరుపు రంగులోకి మారుతుంది, అది మన నుండి దూరంగా జరిగిపోతున్నట్లు కనిపిస్తుంది. హబుల్ న్యాయం కొంతవరకు కోపర్నికన్ సూత్రం నుండి వచ్చింది. ^[5] సాధారణంగా వస్తువులు ఎంత ప్రకాశవంతంగా ఉంటాయో తెలియదు కాబట్టి, రెడ్‌షిఫ్ట్‌ని కొలవడం నేరుగా దూరాన్ని కొలవడం కంటే సులభం. అంచేత కొన్నిసార్లు రెడ్‌షిఫ్టు, హబుల్ నియమాన్ని ఉపయోగించి దూరాన్ని కొలవవచ్చు.