Desplasarea gravitațională spre roșu

(Redirecționarea gravitațională a unei unde de lumină în timp ce se mișcă în sus față de un câmp gravitațional (produs de steaua galbenă de mai jos). Efectul este foarte exagerat în această diagramă.)

În astrofizică, desplasarea gravitațională spre roșu sau desplasarea Einstein este procesul prin care radiația electromagnetică care provine dintr-o sursă care se află într-un câmp gravitațional este redusă în frecvență. sau deplasată spre zona roșie a spectrului de frecvențe, atunci când se observă într-o regiune cu un potențial gravitațional mai mare. Acesta este un rezultat direct al dilatării timpului gravitațional – dacă cineva se află în afara unei surse gravitaționale izolate, rata cu care trece timpul crește odată cu depărtarea de sursa respectivă. Deoarece frecvența este invers proporțională cu timpul (în mod specific, timpul necesar pentru finalizarea unei oscilații a undelor), frecvența radiației electromagnetice este redusă într-o zonă cu un potențial gravitațional mai mare. Există o reducere corespunzătoare a energiei atunci când radiația electromagnetică este deplasată spre roșu, așa cum este dată de relația lui Planck, datorită propagării radiației electromagnetice în opoziție cu gradientul gravitațional. Există, de asemenea, o deplasare spre albastru corespunzătoare când radiația electromagnetică se propagă dintr-o zonă cu potențial gravitațional mai mare către o zonă cu un potențial gravitațional mai scăzut.

Dacă se aplică la lungimi de undă optice, acest lucru se manifestă ca o schimbare a culorii luminii vizibile, deoarece lungimea de undă a luminii este deplasată spre partea roșie a spectrului luminos. Deoarece frecvența și lungimea de undă sunt invers proporționale, aceasta este echivalentă cu a spune că frecvența luminii este redusă spre partea roșie a spectrului luminos, conferind acestui fenomen numele deplasare spre roșu.

Istorie

Slăbirea gravitațională a luminii de la stelele cu gravitație mare a fost prezisă de John Michell în 1783 și de Pierre-Simon Laplace în 1796, folosind conceptul lui Isaac Newton pentru corpusculi de lumină, prezicând că unele stele ar avea o gravitație atât de puternică încât acea lumină nu ar fi putut să scape. Efectul gravitației asupra luminii a fost apoi explorat de Johann Georg von Soldner (1801), care a calculat cantitatea de deformare a unei raze de lumină de către soare, ajungând la răspunsul newtonian care este jumătate din valoarea prezisă de relativitatea generală. Toată această lucrare timpurie presupunea că lumina ar putea încetini și cădea, ceea ce nu era în concordanță cu înțelegerea modernă a undelor luminoase.

Odată ce a fost acceptat faptul că lumina era o undă electromagnetică, era clar că frecvența luminii nu trebuia să se schimbe de la un loc la altul, deoarece undele de la o sursă cu o frecvență fixă ​​păstrau aceeași frecvență peste tot. O explicație ar fi dacă timpul în sine a fost modificat – dacă ceasurile în diferite puncte au rate diferite.

Aceasta a fost tocmai concluzia lui Einstein din 1911. El a considerat o casetă de accelerare și a remarcat că, potrivit teoriei speciale a relativității, rata ceasului din partea inferioară a cutiei este mai lentă decât rata ceasului de sus. În zilele noastre, acest lucru poate fi arătat cu ușurință în coordonate accelerate.

Această expresie este corectă în teoria completă a relativității generale, la cel mai mic ordin în câmpul gravitațional și ignorând variația componentelor spațiu-spațiu și spațiu-timp ale tensorului metric, care afectează numai obiectele care se mișcă rapid.

Folosind această aproximare, Einstein a reprodus valoarea nouă newtoniană pentru deformarea luminii în 1909. Dar, deoarece un fascicul de lumină este un obiect în mișcare rapidă, componentele spațiu-spațiu contribuie de asemenea. După construirea teoriei complete a relativității generale în 1916, Einstein a rezolvat componentele spațiu-spațiu într-o aproximație post-newtoniană și a calculat valoarea corectă a deviației luminii – dublu față de valoarea newtoniană. Predicția lui Einstein a fost confirmată de numeroase experimente, începând cu expediția lui Arthur Eddington pentru eclipsă solare din 1919.

Ratele de schimbare ale ceasurilor au permis lui Einstein să concluzioneze că undele luminoase schimbă frecvența în timp ce se mișcă, iar relația frecvență/energie pentru fotoni i-a permis să vadă că aceasta este cel mai bine interpretată ca efect al câmpului gravitațional asupra energiei de masă a fotonului . Pentru a calcula modificările frecvenței într-un câmp gravitațional aproape static, numai componenta temporală a tensorului metric este importantă, iar aproximarea cea mai mică pentru ordine este suficient de precisă pentru stelele și planetele obișnuite, care sunt mult mai mari decât raza lor Schwarzschild.

Idei importante de reținut

• Recepția transmisiei de lumină trebuie să fie amplasată la un potențial gravitațional mai mare, pentru a se observa deplasarea gravitațională spre roșu. Cu alte cuvinte, observatorul trebuie să stea „în sus” de la sursă. Dacă observatorul are un potențial gravitațional mai mic decât sursa, poate fi observată o deplasarea gravitațională spre albastru.
• Testele efectuate de mai multe universități continuă să susțină existența unei deplasări gravitaționale spre roșu.
• Relativitatea generală nu este singura teorie a gravitației care prezice deplasarea gravitațională spre roșu. Alte teorii ale gravitației necesită deplasarea gravitațională spre roșu, deși explicațiile detaliate ale acestora pentru motivul în care acestea apar variază. (Orice teorie care include conservarea energiei și a echivalenței energiei în masă trebuie să includă deplasarea gravitațională spre roșu.)
• Deplasarea gravitațională spre roșu nu presupune soluția metrică Schwarzschild la ecuația câmpului Einstein – în care variabila M nu poate reprezenta masa oricărui corp rotativ sau încărcat.

Deplasarea gravitațională spre roșu comparativ cu dilatarea gravitațională a timpului

Atunci când se utilizează relațiile Doppler relativiste ale relativității speciale pentru a calcula schimbarea energiei și a frecvenței (presupunând că nu se complică efecte dependente de rută, cum ar fi cele cauzate de găurile negre rotative), atunci rapoartele frecvențelor de deplasare gravitațională spre roșu și albastru sunt inverse reciproc, sugerând că schimbarea de frecvență „văzută” corespunde diferenței actuale în ceasornicul de bază. Pentru sistemele rotative, dependența de rută din cauza deplasării cadrului poate complica procesul de determinare a diferențelor convenite la nivel global în rata ceasului de bază.

În timp ce deplasarea roșie gravitațională se referă la ceea ce se vede, dilatarea timpului gravitațional se referă la ceea ce se deduce a fi „într-adevăr” când se iau în considerare efectele observării.