მზის დგომა, ბუნიაობა და სეზონების ცვლილება და სხვა

 არსებობს ზამთრისა და ზაფხულის მზის დგომა. მსოფლიო დროის მიხედვით, ჩრდილოეთ ნახევარსფეროში ეს მოვლენა 21 ან 22 დეკემბერს ხდება, ხოლო ზაფხულის – 20 ან 21 ივნისს. სამხრეთ ნახევარსფეროში – პირიქით, დეკემბრის მზის დგომა ზაფხულისაა, ხოლო ივნისის – ზამთრისა.

 ზამთრის მზის დგომისას ყველაზე მოკლე დღეა წელიწადში, შესაბამის ნახევარსფეროში. ზაფხულის მზის დგომისას კი წელიწადის ყველაზე გრძელი დღეა და მოკლე ღამე.

 შუა განედებზე, ასტრონომიული ზამთრისა და გაზაფხულის განმავლობაში წერტილი, რომელზეც მზე შუადღეს არის, ყოველდღიურად სულ უფრო მაღლა ადის ჰორიზონტის თავზე, ხოლო ზაფხულის მზის დგომისას „ჩერდება“ და თავის მოძრაობას საწინააღმდეგოზე ცვლის. შემდეგ ის ყოველდღიურად სულ უფრო დაბლა იწყებს დაწევას, საბოლოოდ კი, ზამთრის მზის დგომისას, ისევ „ჩერდება“ და მაღლა იწყებს სვლას.

 ტრადიციულად, ზამთრის მზის დგომა ასტრონომიული ზამთრის დასაწყისად ითვლება, ხოლო ზაფხულის მზის დგომა – ასტრონომიული ზაფხულის დასაწყისად.

 რამდენიმე დღის განმავლობაში, მზის დგომისას და შემდეგ, მზე ჰორიზონტის მიმართ დახრილობას თითქმის არ იცვლის, მისი შუადღის სიმაღლეები უცვლელია, სწორედ აქედან გაჩნდა თვით სახელი – მზის დგომა.

 ზამთრისა და ზაფხულის მზის დგომები ზოდიაქოს სხვადასხვა სიმბოლოებით აღინიშნება, შესაბამისი თანავარსკვლავედების მიხედვით, რომლებშიც ისინი ხდება, მაგალითად, ჰიპარქეს დროს: ზამთრის მზის დგომა – თხის რქა, ზაფხულის – კირჩხიბი. პრეცესიის გამო ეს ორი მოვლენა სხვადასხვა თანავარსკვლავედებში ინაცვლებს (დედამიწის ღერძის პრეცესია და ნუტაცია).

 არსებობს მომენტები, როცა დღისა და ღამის ხანგრძლივობა ერთნაირია – 20 მარტი და 22 სექტემბერი (ბუნიაობა). ამ დროს დღისით, ნახევარსფეროები მთლიანად არის განათებული, დღისა და ღამის გამყოფი ზოლი – ტერმინატორი, ზუსტად პულუსებზე გადის.

 დედამიწის ღერძის დახრილობის გამო, წლის განმავლობაში ჰორიზონტის მიმართ მზის ასვლის სიმაღლე იცვლება (შესაბამისად, დღის ხანგრძლივობაც). ჩრდილოეთ ნახევარსფეროში , როცა ღერძი მზისკენაა გადახრილი, დღე უფრო დიდ ხანს გრძელდება და მზეც დღის განმავლობაში ცაზე საკმაოდ მაღლა ასწრებს ასვლას. შედეგად, ტემპერატურა იზრდება, ამ დროს ზაფხულია. როცა ჩრდილოეთ პოლუსი მზის საწინააღმდეგო მიმართულებითაა გადახრილი, ყველაფერი პირიქით ხდება და გარემოც უფრო ცივდება, ამ დროს ზამთარია.

 ამ ილუსტრაციის საწინააღმდეგო მდგომარეობა ასახულია პირველი ილუსტრაციის მარჯვენა მხარეს, იქ ჩრდილოეთ ნახევარსფერო ნაკლებადაა განათებული და შესაბამისად, ნაკლებად თბება (დააკვირდით ყინულოვან საფარს), ანუ ზამთარია. თუმცა სამხრეთ ნახევარსფეროში ზამთარი უფრო ზომიერია ვიდრე ჩრდილოეთში, რაც ლანდშაფტის თავისებურებითაა გამოწვეული

დედამიწის ღერძის პრეცესია და ნუტაცია

 მზის სისტემის სხეულთა გრავიტაციული ზემოქმედების გამო, ჩვენი პლანეტის ღერძი ძალიან რთულ მოძრაობებს ასრულებს სივრცეში. დედამიწას სფეროიდის ფორმა აქვს (და არა გლობუსივით მრგვალი), ამიტომ მისი ცალკეული ნაწილები მზისა და მთვარის მიერ განსხვავებული ძალით მიიზიდება.

 ღერძი ნელი სიჩქარით კონუსს შემოწერს, დედამიწის მოძრაობის სიბრტყის მიმართ კი ყოველთვის 66,60 გრადუსითაა გადახრილი. ამ მოძრაობას პრეცესია ეწოდება, მისი პერიოდი დაახლოებით 26 000 წელია. სხვადასხვა ეპოქაში ის განსხვავებული მიმართულებით იყო ორიენტირებული.

 დედამიწის ღერძი თავისი საშუალო მდგომარეობიდან მცირე რყევებსას განიცდის, რომელთა შორის 18,6 წლიანი პერიოდები იკვეთება, გამოწვეული მთვარის ზემოქმედებით, ამას ნუტაცია ეწოდება. ნუტაციური რხევები იმიტომ ხდება, რომ მზისა და მთვარის პრეცესიული ძალები განუწყვეტლივ იცვლის სიდიდესა და მიმართულებას. ის ნულს უტოლდება, როცა მზე და მთვარე დედამიწის ეკვატორის სიბრტყეშია, ხოლო მაქსიმუმს ამ წერტილიდნ დაშორების მიხედვით აღწევს. ნუტაციის გამო დედამიწის ჭეშმარიტი პოლუსი, საშუალო პოლუსის მიმართ რთულ მრუდს შემოწერს. ციურ სფეროზე მისი მოძრაობა ელიფსურს უახლოვდება. პრეცესიისა და ნუტაციის გამო მსოფლიო პოლუსებისა და ეკლიპტიკის პოლუსების ურთიერთ განლაგება მუდმივად იცვლება (ეკლიპტიკა – მზისა და დედამიწის შემაერთებელი წარმოსახვითი სიბრტყე).

 პლანეტათა მიზიდულობა იმდენად მცირეა, რომ დედამიწის ღერძის მდებარეობზე ზეგავლენას ვერ ახდენს. თუმცა მოქმედებენ მისი ორბიტის მდებარეობაზე. პლანეტების ზემოქმედებით დედამიწის ეკლიპტიკის სიბრტყის მდებარეობის ცვლილებას პლანეტური პრეცესია ეწოდება.

 მსოფლიო პოლუსები, რომლებიც დედამიწის ბრუნვის ღერძის მიმართულების საშუალო მონაცემით განისაზღვრება, ანუ გამოწვეული მხოლოდ პრეცესიული მოძრაობით, საშუალო მსოფლიო პოლუსი ეწოდება. ჭეშმარიტი მსოფლიო პოლუსი ღერძის ნუტაციურ მოძრაობასაც ითვალისწინებს. პრეცესიის გამო, საშუალო მსოფლიო პოლუსი ეკლიპტიკის პოლუსის მახლობლად 23,50 რადიუსის წრეს შემოწერს. წლის განმავლობაში საშუალო მსოფლიო პოლუსის გადაადგილება ციურ სფეროზე დაახლოებით 50″,3 შეადგენს (კუთხური წამი). ასეთი სიდიდით გადაადგილდება დასავლეთისკენ თანაბარდღეობის (როცა დღისა და ღამის ხანგრძლივობა ერთნაირია) წერტილებიც, მოძრაობენ რა მზის წლიური მოძრაობის შემხვედრი მიმართულებით. ამიტომ მზე თანაბარდღეობის წერტილებზე ადრე ხვდება, ვიდრე იგივე ადგილზე ვარსკვლავების ფონზე.

 ვარსკვლავთა ეკვტორული კოორდინატების მუდმივი ცვალებადობის გამო, ხდება ვარსკვლავებიანი ცის სახის ცვლილებაც. რამდენიმე ათასი წლის მერე, ევროპიდან სამხრეთ ჯვრის თანავარსკვლავედის დანახვა იქნება შესაძლებელი, ხოლო სირიუსი (1) და ორიონის თანავარსკვლავედის ნაწილი აღარ გამოჩნდება (პრეცესია ჰიპარქემ აღმოაჩინა, ხოლო ისააკ ნიუტონმა ახსნა).

მანძილები კოსმოსურ ობიექტებამდე

 ირმის ნახტომის შიგნით, ანუ შედარებით ახლოს მდებარე ობიექტებამდე მანძილი, ჩვეულებრივი ტრიგონომეტრიული ფორმულებით იანგარიშება (პარალაქსი). თუ ცნობილია დედამიწის ორბიტის რადიუსი და ელიფსისაც (რაც უფრო შორსაა ვარსკვლავი, მით პატარაა ელიფსის ზომა), რომელსაც ვარსკვლავი ციურ სფეროზე დედამიწის წლიური მოძრაობის დროს შემოწერს, მაშინ შესძლებელია ამ ვარსკვლავამდე მანძილის გაგებაც.

 ″ კუთხური წუთი (′) ან წამი (″) ასტრონომიაში, ბრტყელი კუთხეების გრადუსებში გამოსახვისთვის გამოიყენება. საათის 60 წუთიან ინტერვალებად დაყოფის ანალოგიურად, გრადუსსაც 60 წუთზე ყოფენ (′) , ხოლო წუთს 60 წამზე (″).

 ზოგჯერ, კუთხურ წამს (და მისგან წარმოებულ უფრო მცირე ერთეულებს) შეცდომით არკწამებსაც უწოდებენ, რაც ინგლისური სიტყვის arcsecond (რკალური წამი ან წუთი) უბრალო ტრანსლიტერაციას წარმოადგენს. პარსეკი (შემოკლებით პს) – სიგრძის ერთეულია, რომელიც ასტრონომიაში მანძილის გასაზომად გამოიყენება. დასახელება შედგენილია სიტყვებისაგან parallax და second. დედამიწიდან ერთი პარსეკის (პს) მანძილზე დაშორებული ობიექტის წლიური ტრიგონომეტრიული პარალაქსი უტოლდება ერთ წამს. ამგვარად, პარსეკი არის მანძილი, რომლიდანაც დედამიწის ორბიტის საშუალო რადიუსი (1 ასტრონომიული ერთეული) ჩანს ერთი წამიანი კუთხით.

 წითელი წანაცვლება (წწ) არის მასხივებელი წყაროს სპექტრულ ხაზში შემავალი ტალღების სიგრძის ზრდა (ხაზების წანაცვლება სპექტრის წითელი ნაწილისკენ) ეტალონური გამოსხივების წყაროს სპექტრთან შედარებით. არსებობს ორი მექანიზმი, რომლებიც წანაცვლებას იწვევს (ან ორივე ერთად). დოპლერის ეფექტით გამოწვეული წანაცვლწება ხდება მაშინ , როცა გამოსხივების წყარო შორდება გამოსხივების მიმღებს, ან პირიქით, უახლოვდება მას (ცისფერი წანაცვლება).

თუ გამოსხივების წყარო დამკვირვებლის საწინააღმდეგოდ გადაადგილდება, ტალღის სიხშირე მცირდება (წთელი), ხოლო დამკვირვებლის მიმართულებით – იზრდება (ლურჯი).

 გრავიტაციული წწ ხდება, როცა გამოსხივების მიმღები მდებარეობს ნაკლები დაძაბულობის გრავიტაციულ ველში, ვიდრე წყარო. გრავიტაციული წწ-ის მაგალითია მასიური კოსმოსური ობიექტების გამოსხივების სპექტრში აღმოჩენილი წანაცვლება.

 ყველაზე დიდი წწ შეიმჩნევა შორეულ, გალაქტიკის გარეთ მდებარე ობიექტების სპექტრში – გალაქტიკები და კვაზარები (კოსმოლოგიური). აიხსნება, როგორც სამყაროს გაფართოების შედეგი, გაფართოებასთან ერთად გალაქტიკები დიდი სიჩქარით გვშორდება. თუ ობიექტი კიარ გვშორდება, არამედ გვიახლოვდება, მაშინ ადგილი აქვს იისფერ წანაცვლებას, წწ-ის საწინააღმდეგო ეფექტს, ეს ეხება მექანიკურ ბგერებსაც. წწ-ის მაჩვენებელი z-ისა და ობიექტამდე მანძილი – r-ის ურთიერთ დამოკიდებულობას, ჰაბლის კანონსაც უწოდებენ: cz=Hr, სადაც H ჰაბლის მუდმივაა. ჩვეულებრივ, ჰაბლის კანონს იყენებენ ჩვენი გალაქტიკის გარეთ არსებულ ობიექტებამდე მანძილის დასადგენად მათი წითელი წანაცვლების მიხედვით.

 თეთრი სინათლის შემადგენელი ფერების წანაცვლება წითლისკენ. ხილულ დიაპაზონში წითელ ფერს დანარჩენებზე დაბალი სიხშირე და შესაბამისად გრძელი ტალღა აქვს, ანუ მისი ფოტონები უფრო დაბალენერგეტიკულია. ხსენებული ეფექტების გამო სინათლე წ.წ.-ას განიცდის და იღებს უფრო დაბალი ენერგიის შესაბამის ფერს. იისფერი-ლურჯს, ლურჯი-მწვანეს, მწვანე-ყვითელს, ყვითელი-წითელს და ა.შ.

 გამოიყენება რადიოლოკაციაც, ტრიგონომეტრიული პარალაქსი, ფოტომეტრულ მეთოდი, ცვალებადი სიკაშკაშის ვარსკვლავები (ცეფეიდები), Ia ტიპის ზეახლების ანთებები, გრავიტაციული ლინზირება…

ანალემა+

 ანალემა – რვიანის ფორმის მრუდია, რომელიც შემოიხაზება, თუ მთელი წლის განმავლობაში ყოველ დღე, დღე-ღამის ერთსა და იგივე დროს აღვნიშნავთ, სად მდებარეობს მზე ცაზე. ამ შემთხვევაში 17 ცალეკული ფოტო მსოფლიო დროით 02:31-ზე, 17 სხვადასხვა დღეს, 2 აპრილიდან 16 სექტემბრამდე იქნა გადაღებული. ფოტოგრაფმა აღმოსავლეთის მხარე ამოირჩია, აისი კასპიის ზღვის თავზე. ფოტოები აზერბაიჯანშია გადაღებული, ბაქოს ერთ-ერთი პორტიდან. სურათები ორ ფოტოს შორის, როცა მზე ყველაზე უფრო ახლოსაა ჰორიზონტთან, 2012 წლის ორ თანაბარდღეობას(ამ დროს დღე და ღამის ხანგრძლივობა ერთნაირია) მოიცავს(თითქმის): 20 მარტი და 22 სექტემბერი. ჩრდილოეთ ზაფხულის მზის დგომა(ყველაზე გრძელი დღე), 20 ივნისი, ანალემის წვეროს შეესაბამება, როცა მზე ყველაზე უფრო მეტად იყო ჩრდილოეთისკენ გადახრილი. რა თქმა უნდა, სურათი, რომელიც 6 ივნისსაა მიღებული, პატარა დამატებას შეიცავს. ოდნავ გაძლიერებული კონტრასტით ანალემის ზედა ნაწილში პატარა შავი წერტილის დანახვაა შესაძლებელი – ეს პლანეტა ვენერაა. ამ კარგად დაგეგმილ დილის ანალემაზე ის მზის დისკოზე იშვიათი გავლის მომენტშია გამოჭერილი.

დოპლერის ეფექტი

 ყველას მოგვისმენია სპეცსიგნალებით მოძრავი მანქანის ხმა. სანამ მანქანა გვიახლოვდება, სირენის ტონი მაღალია, შემდეგ დაბლდება, დაშორებასთან ერთად კიდევ უფრო დაბალი ხდება და ნაცნობი: იიიიიეეეეეეააააააააოოოოოუუუუუუუუ – ბგერათა დაახლოებით ასეთი რიგი გამოდის . ალბათ არც გიფიქრიათ, რომ ასეთ მომენტებში თქვენ, ტალღების უფუნდამენტურესი (და სასარგებლო) თვისების მომსწრე ხდებით.

ქრისტიან დოპლერი(1803-1853).

 ტალღა – ძალიან უცნაურა რამაა. გაიხსენეთ ზღვის ნაპირთან ახლოს მოტივტივე ცარიელი ბოთლი. ის ნაპირთან მოახლოების გარეშე ზევით ქვევით მოძრაობს, მაშინ როცა წყალი, თითქოს ნაპირისკენ მორბის. სინამდვილეში წყალიც და ბოთლიც ადგილზე რჩება და წყალსატევის პერპენდიკულარულად მოძრაობს. სხვანაირად რომ ვთქვათ, სივრცის მოძრაობა, რომელშიც ტალღა ვრცელდება, არ შეესაბამება ამ ტალღების მოძრაობას. ყოველ შემთხვევაში, ფეხბურთის მოყვარულებმა ეს კარგად იციან და ხშირად უშვებენ ხოლმე „ტალღებს“ სტადიონზე ყოფნის დროს, თვითონ ამ დროს არსად მიდიან, მხოლოდ დგებიან და ისევ ჯდებიან ხოლმე, თვითონ ტალღა კი ტრიბუნის გარშემო გარბის.

 ტალღების აღწერა მათი სიხშირით ხდება (ტალღური პიკების რიცხვი წამში) ან სიგრძით (მანძილი ორ პიკს ან ჩავარდნას შორის გრაფიკზე). ეს ორი მახასიათებელი, გარემოში ტალღის გავრცელების სიჩქარით არის დაკავშირებული ერთმანეთთან, ამიტომ,  ვიცით რა ტალღის გავრცელების სიჩქარე და რომელიმე ერთი ძირითადი მახასიათებელი, მეორეს გაგებაც ადვილია.

 ტალღის გაჩენასთან ერთად, მისი გავრცელების სიჩქარე მხოლოდ იმ გარემოს თვისებებით განისაზღვრება, რომელშიც ვრცელდება იგი – ტალღის წყარო კი არანაირ როლს აღარ თამაშობს. წყლის ზედაპირზე გაჩენილი ტალღები წნევის, ზედაპირული დაჭიმულობისა და გრავიტაციის ძალების ზემოქმედების ქვეშ ვრცელდება, ხოლო აკუსტიკური ტალღები ჰაერში (ან სხვა ხმა გამტარ გარემოში), მიმართული წნევათა ცვლილების ძალით. არც ერთი ასეთი მექანიზმით გაჩენილი ტალღის გავრცელება არ არის დამოკიდებული ტალღის წყაროზე. აქედან მიიღება დოპლერის ეფექტი.

 კიდევ ერთხელ განვიხილოთ სირენებიანი მანქანის მაგალითი. დასაწყისისთვის წარმოვიდგინოთ, რომ სპეცმანქანა გაჩერებულია. სირენის ხმა ჩვენამდე იმიტომ აღწევს, რომ მისი დრეკადი მემბრანა პერიოდულად ზემოქმედებს ჰაერზე, მასში შეკუმშვათა მიმდევრობებს ქმნის – მაღალი და დაბალი წნევების მიმდევრობებს. შეკუმშვის პიკები – აკუსტიკური ტალღის ქიმები – ვრცელდება გარემოში (ჰაერში), აღწევს ჩვენი ყურის დოლურამდე და ზემოქმედებს მასზე, ამ უკანასკნელისგან კი სიგნალი ტვინს გადაეცემა. ჩვენს მიერ აღქმული ბგერების სიხშირეს, ტრადიციულად, ტონს ან ხმის სიმაღლეს ვუწოდებთ: მაგალითად, 440 ჰერციანი რხევათა რიცხვი შეესაბამება „ლა“-ს. ხოდა, სანამ სპეცმანქანა ადგილზე დგას, მისგან მომავალი სირენის ხმის ტონი უცვლელი რჩება.

 დაიძვრება თუ არა მანქანა თქვენი მიმართულებით, ხმას ახალი ეფექტი დაემატება. ტალღის ერთი პიკის გამოშვების განმავლობაში, თქვენი მიმართულებით მოძრაობისას, მანქანა რაღაც მანძილის გავლას ასწრებს. ამის გამო ყოველი შემდეგი ბგერის წყარო სულ უფრო ახლოს და ახლოს იქნება. შედეგად ტალღები ჩვენს ყურამდე უფრო ხშირად მოაღწევს, ვიდრე იქამდე, სანამ მანქანა ადგილზე იდგა, ამიტომ ხმის სიმაღლეც გაიზრდება. და პირიქით, თუ მანქანა საწინააღმდეგო მიმართულებით წავა, აკუსტიკური ტალღის პიკების სულ უფრო მცირე და მცირე რაოდენობა მოაღწევს თქვენს ყურამდე, ანუ აღქმული ბგერების სიხშირე იკლებს. ამის გამო გვესმის ერთი და იგივე ხმა განსხვავებულად, თუ მისი მასხივებელი წყარო ჩვენი ან საწინააღმდეგო მიმართულებით მოძრაობს.

 ჩვენ, დოპლერის ეფექტი ხმოვანი (მექანიკური) ტალღებისთვის განვიხილეთ, თუმცა ის სხვა ტიპის რხევებზეც ვრცელდება. თუ ხილული სინათლის წყარო გვიახლოვდება, სინათლის ტალღის სიგრძე მოკლდება, ამ დროს ჩვენ ე.წ. იისფერ წანაცვლებას ვხედავთ. თუ წყარო გვშორდება, მაშინ წანაცვლება წითელი ფერისკენ ხდება, ანუ ტალღა გრძელდება (ხილულ დიაპაზონში ყველაზე გრძელი ტალღა შეესაბამება წითელ ფერს, მოკლე კი იისფრს).

 დოპლერის ეფექტი გალაქტიკებისთვისაც თავსებადია. წყვეტილი ხაზები გვიჩვენებს, სად იქნებოდა გამოსიხვების სპექტრის ხაზები, სტაციონარული(უძრავი) წყარო რომ ასხივებდეს მას. სპექტრის ზედა ნაწილში – ცისფერი წანაცვლებაა(სინათლის წყარო ჩვენსკენ მოძრაობს); ქვემოთ – წითელი წანაცვლება(წყარო გვშორდება).

 ამ ეფექტს ეს სახელი, ქრისტიან იოჰან დოპლერის საპატივცემულოდ შეარქვეს, რადგან თეორიულად სწორედ მან იწინასწარმეტყველა პირველად. ექსპერიმენტით კი ჰოლანდიელმა მეცნიერმა ქრისტიან ბალოტმა შეამოწმა (1817–1870 წ.). მან ორკესტრი ღია მატარებლის ვაგონზე დასვა, პლატფორმაზე კი დააყენა მუსიკოსები, იდიალური სმენით. ყოველთვის, როცა ღია ვაგონი დამკვრელებით პლათფორმასათან ჩაივლიდა, სასულე ორკესტრის წევრები ერთსა და იმავე ნოტს უკრავდნენ. მაყურებლები კი (მსმენელები) მოსმენილის ნოტურ პარტიტურას იწერდნენ. როგორც მოსალოდნელი იყო, ხმის მოჩვენებითი სიმაღლე პირდაპირ დამოკიდებულებაში აღმოჩნდა მატარებლის მოძრაობის სიჩქარესთან, როგორც დოპლერის კანონი წინასწარმეტყველებდა.

 სამყარო ფართოვდება და როგორც სურათზე ხედავთ, ტელესკოპამდე მისული რხევების რაოდენობა ნაკლები გამოდის, ანუ სიხშირე, შესაბამისად – ტალღის სიგრძეც. ფოტონი კი ისევ ის არის, რომელიც წყარომ გამოასხივა, ის ”ხელშეუხებელია”, ან არსებობს და ზღვრული სიჩქარით მოძარობს, ან საერთოდ არ გამოსხივებულა.

 დოპლერის ეფექტმა ფართო გამოყენება ჰპოვა მეცნიერებასა და ცხოვრებაში. პოლიციელების რადარი თქვენი მანქანისკენ რადიოტალღას ასხივებს (ჩვეულებრივ, ულტრამოკლე ან ზემაღალი სიხშირის), რომელიც მეტალის კორპუსიდან აირეკლება და უკან, რადარისკენ ბრუნდება. ამ ტალღას კი უკვე დოპლერის წანაცვლება აქვს. გამოსხივებული და მიღებული ტალღების სიხშირის შედარებით, კომპიუტერი სწრაფად ითვლის თქვენი მანქანის სიჩქარეს და მისი მაჩვენებელი ეკრანზე გამოაქვს.

 დიდი გამოყენება ჰპოვა ამ ეფექტმა ასტროფიზიკაში: კერძოდ, ედვინ ჰაბლმა, ზომავდა რა მანძილს უახლოეს გალაქტიკებამდე, მათ სპექტრში წითელი, ანუ დოპლერის წანაცვლება აღმოაჩინა, რითაც დაადგინა, რომ გალაქტიკები გვშორდება. ამასთან ერთად, რაც უფრო შორეული იყო გალაქტიკა, მით მეტი იყო მისი სინათლის წანაცვლება წითლისკენ (და მით მეტი სიჩქარით გვშორდება ის), ამით ჰაბლი მიხვდა, რომ სამყარო ფართოვდება. ეს იყო დიდი აფეთქების თეორიის შექმნისაკენ გადადგმული პირველი ნაბიჯი, რაც გაცილებით რთული რამაა, ვიდრე მატარებელი სასულე ორკესტრით.

წითელი წანაცვლება

 გალაქტიკების სპექტრში არსებული წითელი წანაცვლებით, ამ გალაქტიკებამდე მანძილის დადგენა ხდება. რაც უფრო მეტია წანაცვლება, მით უფრო შორსაა გალაქტიკა. მანძილის დადგენის ეს მეთოდი დოპლერის ეფექტს ეფუძნება(ნახეთ მანძილები კოსმოსურ ობიექტებამდე).

 დავუშვათ, გვაქვს ელექტრომაგნიტური გამოსხივების რაიმე წყარო და გვინდა წყარომდე მანძილის დადგენა. თუ ეს წყარო დამკვირვებლის მიმართ უძრავი არაა და გადაადგილდება, მაშინ ტალღის რხევათა სიხშირე დამკვირვებლის კოორდინატთა სისტემაში შეიცვლება, ხსენებული ეფექტის გამო, დამოკიდებულებით წყაროს მოძრაობის სიჩქარისა სინათლის სხივის სიჩქარესთან. წყაროს დაშორებასთან ერთად მისი ტალღის სიხშირე მცირდება, მოახლოებისას კი პირიქით იზრდება(დოპლერის ეფექტი). თუ ტალღის სიგრძეების მნიშვნელობებს გამოვიყენებთ, მაშინ დამკვირვებლის კოორდინატთა სისტემაში გამოსხივების წყარო აღიწერება ფორმულით:

Δλ/λ=V/c

 სადაც Δλ=λ-λο/λο — ტალღის ცვლილებაა, V – გალაქტიკის დაშორების სიჩქარე, c – სინათლის სხივის სიჩქარე, λ0 – ლაბორატორიული, უძრავი წყაროს ტალღის სიგრძე. მეორეს მხრივ, წყაროს სიჩქარის დამოკიდებულება წყარომდე მანძილზე დაკავშირებულია ჰაბლის მუდმივასთან:

V=cΔλ/λο = H R,

 სადაც H – ჰაბლის მუდმივაა, R – მანძილი გალაქტიკამდე. თუ გვეცოდინება წითელი წანაცვლება z=Δλ/λ მგალითად, რომელიმე გალაქტიკისთვის, ჩვენ შევძლებთ გალაქტიკამდე მანძილის გაზომვას.

 თვითონ სინათლე ერთნაირად ანათებს აქაც, ლაბორატორიაშიც და მილიარდობით წლის იქეთ მდებარე გალაქტიკაშიც. ლაბორატორიულ სინათლეს არაფერი ემართება, რადგან ის აქვეა, ხოლო შორეული გალაქტიკებიდან ჩვენამდე მოსული სინათლე, კოსმოსლუგიური თუ გრავიტაციული წანაცვლების გამო აღარ არის ისეთი, როგორიც თავიდან იყო. ანუ, ეს მაჩვენებელი სპექტრომეტრის საშუალებით დგინდება.

 ზოგიერთ კვაზარს დიდი წითელი წანაცვლება აქვს: აღმოჩენილია კვაზარი წანაცვლებით z = 5,82. ასეთი ობიექტები ლამის სინათლის სხივის სიჩქარით გვშორდებიან. აქ უკვე დოპლერის ეფექტის გამოყენება მიუღებელია. ასეთ შემთხვევაში იყენებენ ფორმულაებს ფარდობითობის სპეციალური თეორიიდან:

z=1+V/c / √1-V²/c²-1

 ამ ფორმულით გამოთვლილი კვაზარის სიჩქარე, ნებისმიერი წითელი წანაცვლების შემთხვევაში, სინათლის სიჩქარეზე ნაკლები იქნება.

 დაზუსტებული მონაცემების მიხედვით, ციფრული მნიშვნელობით H=67,80 ± 0,77 კმ/(წმ.მეგაპარსეკი). მაშინ ჰაბლისეული გაფართოების დრო(სავარაუდოთ, ახლოსაა სამყაროს გაფართოების დროსთან)T=1/H=13,8 მილიარდი წელი, ხოლო სამყაროს პირობითი რადიუსი გამოდის R=c/H=4 200 მეგაპარსეკი.

საით ინაცვლებს წითელი წანაცვლება?

 წითელი წანაცვლება უმნიშვნელოვანესი კოსმოლოგიური პარამეტრია. ის გვიჩვენებს, თუ რამდენად გაფართოვდა სამყარო, ფოტონების გამოსხივების მომენტიდან, მათი რეგისტრირების მომენტამდე:

 z+1=a(t2)/a(t1).

 z – წითელი წანაცვლებაა(წითელი წანაცვლება არის მასხივებელი წყაროს სპექტრულ ხაზში შემავალი ტალღების სიგრძის ზრდა(ხაზების წანაცვლება სპექტრის წითელი ნაწილისკენ) ეტალონური გამოსხივების წყაროს სპექტრთან შედარებით. წ.წ. გამოწვეული დოპლერის ეფექტით ხდება მაშინ , როცა გამოსხივების წყარო შორდება გამოსხივების მიმღებს), t1 – ფოტონების გამოსხივების მომენტი, t2 – რეგისტრაციის მომენტი. სიდიდე a – ე.წ. მასშტაბის ფაქტორია. წარსულში მასშტაბის ფაქტორი ერთზე მცირე იყო, მომავალში კი მეტი იქნება, რადგან ჩვენი სამყარო ფართოვდება. მანძილი შორეულ გალაქტიკებს შორის იცვლება, ხოლო მათი სინათლე წითლისკენ წანაცვლებას განიცდის.

 ობიექტთა წითელ წანაცვლებაზე დაკვირვებით, არსებული კოსმოლოგიური მოდელის ჩარჩოებში, მნიშვნელოვანი სიდიდეები შეგვიძლია გამოვითვალოთ: მანძილი, სიჩქარე… რა თქმა უნდა, დროთა განმავლობაში ყოველი დამზერადი ობიექტის წითელი წანაცვლებაც უნდა შეიცვალოს. ზუსტი მონაცემების მიღებაში მომავლის ტელესკოპები(ახალი სპექტროგრაფებით) დაგვეხმარება.

 მატერიის გაჩენის მერე(ინფლაციის დასასრული), პირველი რამდენიმე მილიარდი წლის განმავლობაში სამყარო შენელებულ გაფართოებას განიცდიდა, რაც შემდეგ, აჩქარებული გაფართოებით შეიცვალა და ახლაც გრძედლება. სწორედ აქ ვაწყდებით სირთულეებს. შედარებით ახლოს მდებარე ობიექტები, გამოსხივების მომენტში, აჩქარებული გაფართოების რეგიონებში იყვნენ. არანაირი არსებითი ცვლილება გაფართოების დინამიკაში მას შემდეგ არ მომხდარა. მათთვის წითელი წანაცვლების მაჩვენებელი ზრდას გააგრძელებს.

 გალაქტიკებისთვის, რომლებმაც ჩვენს მიერ მიღებული სიგნალები შენელებული გაფართოების რეგიონიდან გამოასხივა, სიტუაცია კიდევ უფრო რთულადაა, რადგან გაფართოების დინამიკა, შენელებიდან აჩქრებაზე გადასვლის მომენტის მიმართ სიმეტრიული არაა.

 მაგალითად, გალაქტიკებს, რომლებმაც შენელებიდან აჩქარებაზე გადასვლის მომენტზე ადრე გამოასხივა, ოღონდ საკმაოდ ახლოს ამ მომენტთან, უფრო მეტად გაწითლებული სახე ექნება, რადგან გამოსხივებებს შორის მომენტებადმე მასშტაბის ფაქტორი თითქმის არ იცვლება, ხოლო რეგისტრაციის მომენტებს შორის შესამჩნევ ცვლილებას გვიჩვენებს. რაც უფრო ძველ სიგნალებს ვიღებთ, მით უფრო მეტი წითელი წანაცვლება ექნება მათ, შემდეგ, ყველაფერი წანაცვლების შემცირებით შეიცვლება. ზღვარი, თანამედროვე სტანდარტული პარამეტრებისთვის, შეესაბამება წითელ წანაცვლებას – დაახლოებით z=2.

 როგორც არ უნდა იყოს, საკმარისად შორეული გალაქტიკებისთვის, თანამედროვე აჩქარება საწყის შენელებას ვერ აკომპენსირებს. ანუ, თეორიულად ჩვენ შეიძლება დავინახოთ, რომ შორეული ობიექტების წანაცვლება შემცირებას დაიწყებს. თუ ახლანდელი გაფართოება არ შეიცვალა, სულ უფრო ცოტა წყარო იქნება, რომელთა წითელი წანაცვლება დროთა განმავლობაში კიარ იზრდება, არამედ კლებულობს. საბოლოოდ, ხილული გალქტიკების რაოდენობა შემცირდება, სამყაროს ყველაზე პირველი ობიექტების ზღვრამდე. მხოლოდ ბნელი საუკუნეები და რელიქტური გამოსხივება დარჩება.

 რელიქტური გამოსხივების წითელი წანაცვლება

 წარმოიდგინეთ, რომ შორეულ გალაქტიკაზე დაკვირვებისას, მასში, საათს ხედავთ. ხედავთ, რომ საათის ისრები მოძრაობენ, თუნდაც არა ისეთი ტემპით, როგროც თქვენს საათზე. საათის დანახვა იმ ფოტონების საშუალებით არის შესაძლებელი, რომლებიც ამ გალაქტიკიდან, დროის სხვადასხვა მომენტებში გამოსხივდა. რელიქტური გამოსხივების ფოტონების შემთხვევაში კი სულ სხვანაირი სიტუაციაა!

 რელიქტური ფოტონები პრაქტიკულად ერთდროულად გაჩნდა(სურ.1), როცა სამყარო გამჭვირვალე გახდა მათთვის. მთელი სამყარო მაშინვე შეავსეს(სურ.2) და ახლაც ავსებენ მას. ყველა მათგანის ასაკიც ერთნაირია. ამიტომ რელიქტზე დაკვირვებისას, გუშინ, დღეს, ხვალ თუ მილიარდი წლის მერე, ფორმულაში ერთი და იგივე დრო უნდა ჩავსვათ(სურ.3). ანუ, მნიშვნელი ამ ფორმულაში არ იცვლება, ხოლო მრიცხველი მუდმივად იზრდება, რადგან სამყარო ფართოვდება. გამოდის, რომ რელიქტური გამოსხივების წითელი წანაცვლებაც ასევე იმატებს, მასშტაბის ფაქტორის ზრდასთან ერთად.

 შეგვიძლია წარმოვიდგინოთ სიტუაცია, როცა ერთი ადამიანი, მოგზაურობს რა შეუჩერებლად, ყოველ დღე წერილებს გწერთ. ყოველი ახალი გზავნილი, რა თქმა უნდა, ახალი ადგილიდან იქნება გამოგზავნილი. მასში სხვადსხვა მოვლენებია აღწერილი და თქვენ რაღაც ისტორიის ნაკადს ხედავთ. მეორე ადამიანმა კი მილიონობით ერთნაირი წერილი დაწერა, ბოთლებში ჩააწყო და ოკეანეში გადაყარა. მთელი ოკეანე ამ ბოთლებით არის სავსე და თქვენ ყოველ მათგანში ერთი და იგივე რიცხვით დათარიღებულ წერილებს პოულობთ. რელიქტური ფოტონები, სწორედ ასეთი, ბოთლებში ჩაწყობილი წერილებია.

სურ.1. მრუდი, მასშტაბის ფაქტორის ევოლუციას გვიჩვენებს, ყვითელი კედელი კი რელიქტური ფონის გაჩენის მომენტს. რელიქტური გამოსხივების დამზერისას, დროის ერთი და იგივე მომენტში გაჩენილ ფოტონებს ვხედავთ. მას მერე, მასშტაბის ფაქტორი, მხოლოდ იზრდებოდა. ამიტომ, რელიქტური გამოსხივების წითელი წანაცვლებაც ყოველთვის იზრდება(გაფართოებად სამყაროში, რა თქმა უნდა). 

სურ.2. ცენტრში მყოფი დამკვირვებელი, რელიქტურ გამოსხივებას სწავლობს. სამყარო ამ ფოტონებით არის შევსებული. მათი ნაწილი დამკვირვებლისკენ მოძრაობს და ადრე თუ გვიან მიაღწევს მას. 

სურ.3. იმის გამო, რომ მთელი სამყარო რელიქტური ფოტონებით არის შევსებული(გაჩენილი მომენტში t1), დამკვირვებელი ყოველთვის დაინახავს მათ. ზოგიერთი რელიქტური ფოტონი ყოველთვის მასთან მისასვლელ გზაზეა.

 იმედია, არც თუ ისე შორეულ მომავალში, სხვადასხვა მანძილებზე მდებარე კოსმოსური ობიექტების წითელი წანაცვლების პირდაპირი გაზომვები ზუსტი კოსმოლოგიის ინსტრუმენტდ იქცევა, რაც დინამიკის პირდაპირი გაზომვის საშუალებასაც მოგვცემს.