Гравитационное красное смещение

Гравитационное красное смещение.

Световой квант, излучаемый гравитирующим телом (звездой), должен тратить определенную энергию для преодоления его гравитационное притяжение. Это – гравитационная энергия кванта света на поверхности тела. Поэтому, энергия преодолевшего притяжение тела светового кванта будет меньше, чем его энергия на поверхности тела. Следовательно, спектры принимаемых на Земле излучений звезд должны быть смещенными в сторону меньших частот (больших длин волн), т. е. в сторону красной границы спектра. Это и называется гравитационным красным смещением спектральных линий излучения звезд.

рис.11.9

Для оценки красного смещения спектров излучения звезд рассмотрим световой квант частоты на поверхности звезды массы M и радиуса R (рис.11.9). Полная энергия кванта на поверхности звезды складывается из энергии и его потенциальной энергии , где – масса фотона, а – гравитационный потенциал звезды на ее поверхности. Энергия преодолевшего притяжение звезды и регистрируемого приемником фотона будет (рис.11.9). Применяя закон сохранения энергии к двум описанным состояниям фотона:

,

где пользовались формулой (11.17) для гравитационного радиуса, находим, что относительное смещение частоты отрицательно и равно

                       .                                (11.18)

Для обычных звезд отношение мало – порядка , а для нейтронных звезд – порядка 0,1-0,3.

Вообще, гравитационное красное смещение происходит, когда фотон перемещается в поле тяготения из точки с меньшим потенциалом в точку с большим потенциалом. Очевидно, при обратном перемещении получится фиолетовое смещение, т. е. частота фотона будет расти. Паунд и Ребекка в 1960г. регистрировали изменение частоты -излучения в лабораторных условиях при перемещении -кванта в вертикальном направлении всего в 22 м. Относительное изменение длины волны г-кванта при этом составляло . В этих опытах было получено , что является блестящим подтверждением явления гравитационного смещения спектральных линий.