Втомлене світло

«Втомлене світло» (або «старіння світла») — клас спростованих гіпотез, за якими закон Габбла — Леметра (залежність червоного зсуву галактик від відстані до них) пояснюється не розширенням Всесвіту, а втратою енергії фотонами дорогою до спостерігача. Концепцію вперше запропонував у 1929 році Фріц Цвіккі, який припустив, що фотони поступово втрачають енергію через взаємодію з іншими частинками, і тому віддалені об'єкти виглядатимуть червонішими за ближні. Однак, як визнавав сам Цвіккі, таке розсіювання неминуче призводило б до сильнішого розмиття зображень віддалених об'єктів, ніж це спостерігається насправді. Крім того, гіпотеза «втомленого світла» не змогла пояснити незалежність червоного зміщення від довжини хвилі, уповільнення часу у космологічних джерелах, великомасштабну структуру Всесвіту, поширеність легких елементів, наявність реліктового випромінювання і його анізотропію. Попри періодичне переосмислення концепції, гіпотеза «втомленого світла» не отримала підтвердження в спостереженнях і залишається маргінальною темою в астрофізиці^[1].

Історія та сприйняття

Концепція «втомленого» світла виникла через спостереження Едвіна Габбла, що віддалені галактики мають червоне зміщення, пропорційне їхній відстані. Червоне зміщення — це зміщення в спектрі електромагнітного випромінювання об'єкта в бік нижчих енергій і частот, пов'язане з ефектом Доплера. Спостерігачі спіральних туманностей, такі як Весто Слайфер, відзначали, що ці об'єкти (зараз відомі як галактики) зазвичай проявляли червоне зміщення, а не синє, незалежно від їхнього розташування. Оскільки ця залежність спостерігається в усіх напрямках, її не можна приписати хаотичному руху галактик, який показував би як червоні, так і сині зміщення. Внесок Габбла полягав у доведенні того, що величина червоного зміщення сильно корелює з відстанню до галактик.

Спираючись на дані Слайфера та Габбла, у 1927 році Жорж Леметр усвідомив, що ця кореляція може відповідати нестатичним розв'язкам рівнянь теорії гравітації Ейнштейна — розв'язкам Фрідмана–Леметра. Однак стаття Леметра набула визнання лише після публікації Габбла 1929 року. У цьому розв'язку універсальна залежність червоного зміщення від відстані пояснюється впливом розширюваного Всесвіту на фотон, що рухається крізь нього світлоподібною геодезичною. Це формулювання все ще аналогічне ефекту Доплера, хоча відносні швидкості потрібно розглядати з більшою обережністю, оскільки відстані в розширюваному Всесвіті можуть визначатися по-різному.

Водночас пропонувалися інші пояснення, що не узгоджуються з загальною теорією відносності. Едвард Мілн запропонував пояснення, сумісне зі спеціальною теорією відносності, але не з загальною відносністю, згідно з яким червоні зміщення можна було б пояснити гігантським вибухом невідомої природи. Інші пропонували, що систематичні ефекти можуть пояснити кореляцію червоного зміщення та відстані. Намагаючись дати альтернативне пояснення цим спостереженням, Фріц Цвіккі в 1929 році запропонував механізм «втомленого світла»^[2].

Цвіккі припустив, що фотони можуть поступово втрачати енергію під час подорожі на великі відстані через статичний Всесвіт унаслідок взаємодії з матерією або іншими фотонами, або через якийсь новий фізичний механізм. Оскільки зменшення енергії відповідає збільшенню довжини хвилі світла, цей ефект призводив би до червоного зміщення у спектральних лініях, що зростає пропорційно відстані до джерела. Термін «втомлене світло» для позначення цієї ідеї ввів Річард Толмен на початку 1930-х років^[3]. Гельге Краг^[en] зазначав: «Гіпотеза Цвіккі була найвідомішою та найрозвиненішою альтернативою розширенню Всесвіту, але далеко не єдиною. Більше десятка фізиків, астрономів та науковців-аматорів у 1930-х роках пропонували ідеї втомленого світла, спільною рисою яких було припущення про взаємодію фотонів туманностей з міжгалактичною матерією, якій вони передавали частину своєї енергії». Краг зокрема зазначав Джона Квінсі Стюарта^[en], Вільяма Дункана МакМіллана^[en] та Вальтера Нернста^[4].

Механізми «втомленого світла» були серед запропонованих альтернатив Великому вибуху та теорії стаціонарного Всесвіту, які обидві базувалися на загально-релятивістському розширенні Всесвіту за метрикою Фрідмана–Робертсона–Вокера. До середини XX століття більшість космологів підтримували одну з цих двох парадигм, але були кілька вчених, особливо ті, хто працював над альтернативами до загальної теорії відносності, які розглядали «втомлене світло»^[5]. З розвитком спостережної космології в кінці XX століття та зростанням кількості та точності даних, Великий вибух став космологічною теорією, що найкраще узгоджувалась зі спостережними даними, і дотепер залишаєтся прийнятою консенсусною моделлю з сучасною параметризацією, яка точно визначає стан і еволюцію Всесвіту. Хоча гіпотеза «втомленого світла» зараз має майже виключно історичну цінність, до 1980-х років її розглядали в підручниках з космології як гідна певної уваги можливість, хоча основна частина астрофізиків відкидала її як малоймовірну і штучну^[6].

Тест поверхневої яскравості Толмана виключає пояснення космологічного червоного зміщення через втомлене світло.

До 1990-х і у XXI столітті низка спостережень показала, що гіпотези «втомленого світла» неспроможні поясненити космологічне червоне зміщення^[7]. Наприклад, у статичному Всесвіті з механізмами втомленого світла поверхнева яскравість зір і галактик мала б залишатися сталою: чим далі об'єкт, тим менше світла ми отримуємо, але його видима площа також зменшується, тому співвідношення отриманого світла до видимої площі повинно бути незмінним. У розширюваному Всесвіті поверхнева яскравість зменшується з відстанню. Коли спостережуваний об'єкт віддаляється, фотони випромінюються з меншою частотою, бо кожен фотон долає трохи більшу відстань, а його енергія трохи зменшується через збільшення червоного зміщення на більшій відстані. З іншого боку, у розширюваному Всесвіті об'єкт здається більшим, ніж він є насправді, бо він був ближче до нас, коли фотони починали свій шлях. Це створює різницю у поверхневій яскравості між статичним і розширюваним Всесвітом. Це відоме як тест поверхневої яскравості Толмана^[en], який у цих дослідженнях підтримує гіпотезу розширюваного Всесвіту та виключає статичні моделі втомленого світла^[8][9][10].

Червоне зміщення є спостерігається безпосередньо й використовується космологами як прямий вимір часу. Космологи часто оцінюють вік та відстань до об'єктів у термінах червоного зміщення, а не років або світлових років. У такій шкалі Великий вибух відповідає нескінченному червоному зміщенню^[8]. Альтернативні теорії гравітації без розширення Всесвіту потребують пояснення відповідності між червоним зміщенням та відстанню, що є природним для розширюваних метрик загальної теорії відносності. Такі теорії іноді називають «космологіями втомленого світла», хоча не всі автори знають їх історичні передумови^[11].

Конкретні фальсифіковані моделі

Hubble Ultra Deep Field — зображення галактик, що знаходяться на відстані понад 10 мільярдів світлових років. Якби «втомлене світло» було правильним поясненням, ці галактики виглядали б розмитими порівняно з ближчими галактиками. Те, що вони не розмиті, виключає припущення, що процеси розсіяння спричиняють залежність червоного зміщення від відстані.

Загалом будь-який механізм «втомленого світла» має вирішувати деякі базові проблеми, а саме спостережуване червоне зміщення повинно:

• давати однакове червоне зміщення в будь-якому діапазоні довжин хвиль,
• не проявляти розмиття,
• відповідати детальній залежності Габбла, виміряній за спостереженнями наднових,
• пояснювати уповільнення часу космологічно віддалених подій.

За роки було запропоновано низку механізмів «втомленого світла». Фріц Цвіккі, у своїй статті, пропонуючи ці моделі, досліджував ряд пояснень червоного зміщення, виключаючи деякі самостійно. Найпростіша форма теорії «втомленого світла» передбачає експоненційне зменшення енергії фотона з відстанню:$${\displaystyle E(x)=E_{0}\exp \left(-{\frac {x}{R_{0}}}\right)}$$де ${\displaystyle E(x)}$ — енергія фотона на відстані ${\displaystyle x}$ від джерела світла, ${\displaystyle E_{0}}$ — енергія фотона на джерелі, а ${\displaystyle R_{0}}$ — велика константа, що характеризує «опір простору». Щоб відповідати закону Габбла, константа ${\displaystyle R_{0}}$ має становити кілька гігапарсеків. Наприклад, Цвіккі розглядав, чи може інтегральний ефект Комптона пояснити спостережуване космологічне червоне зміщення:

... світло, що надходить із віддалених туманностей, зазнало б зсуву в червоний бік через ефект Комптона на цих вільних електронах [у міжзоряному просторі] [...] Але тоді світло, розсіяне у всіх напрямках, зробило б міжзоряний простір неприйнятно непрозорим, що виключає вищезгадане пояснення. [...] Очевидно, що будь-яке пояснення, засноване на процесі розсіяння, такому як ефект Комптона чи ефект Рамана тощо, опиниться в безнадійному становищі щодо гарної чіткості зображень[2].

Очікуване «розмиття» космологічно віддалених об'єктів не спостерігається на практиці, хоча для впевненого доведення цього потрібні були б значно більші телескопи, ніж були доступні на той час. Альтернативно, Цвіккі запропонував пояснення через певний аналог ефекту Сакса–Вольфа для залежності червоного зміщення від відстані:

Можна очікувати зсуву спектральних ліній через різницю статичного гравітаційного потенціалу на різних відстанях від центру галактики. Цей ефект, звичайно, не має відношення до відстані спостережуваної галактики від нашої системи і, отже, не може надати пояснення явища, обговорюваного в цій статті[2].

Цвіккі ретельно описав, як його теорію можна було б фальсифіковані подальшими спостереженнями:

... [a] гравітаційний аналог ефекту Комптона [...] Легко побачити, що вищезгадане червоне зміщення має асиметрично розширювати ці лінії поглинання у бік червоного. Якщо ці лінії можна сфотографувати з достатньо високим розсіянням, зміщення центру тяжіння лінії дасть червоне зміщення незалежно від швидкості системи, з якої випромінюється світло[2].

Таке розширення ліній поглинання не спостерігається в об'єктах з високим червоним зміщенням, що фальсифікує цю конкретну гіпотезу^[12].

Цвіккі також зауважує у тій самій статті, що відповідно до моделі «втомленого світла» залежність червоного зміщення від відстані обов'язково мала б проявлятися у світлі джерел у межах нашої галактики (навіть якщо червоне зміщення буде настільки малим, що його важко виміряти), чого не спостерігається за теорією, заснованою на віддаленні галактик. Він пише, посилаючись на джерела світла у нашій галактиці: «Особливо бажано визначати червоне зміщення незалежно від власних швидкостей спостережуваних об'єктів»^[2]. Після цього астрономи ретельно дослідили швидкості й відстані в нашій Галактиці й виявили, що червоні й сині зміщення галактичних об'єктів добре відповідають статистичному розподілу для спіральної галактики, і потреби вводити додаткове «старіння фотона» немає^[13].

У 1935 році Едвін Габбл та Річард Толмен порівняли червоне зміщення через розширення Всесвіту з його альтернативами, зазначивши, що вони

обидва, однак, схильні до думки, що якщо червоне зміщення не є наслідком віддалення об'єктів, його пояснення, ймовірно, вимагатиме деяких абсолютно нових фізичних принципів [... і] використання статичної моделі Всесвіту Ейнштейна в поєднанні з припущенням, що фотони, випромінювані туманністю, втрачають енергію під час свого шляху до спостерігача через якийсь невідомий ефект, який лінійно залежить від відстані та призводить до зменшення частоти без помітного поперечного відхилення[14].

Ці умови стало майже неможливо виконати, а загальний успіх пояснень червоного зміщення через загальну теорію відносності є однією з основних причин, чому модель Великого вибуху залишається найпопулярнішою космологічною моделлю для дослідників.

На початку 1950-х Ервін Фінлай-Фройндліх^[en] запропонував червоне зміщення як «результат втрати енергії спостережуваними фотонами під час проходження через радіаційне поле»^[15]. Це пояснення було процитоване та обґрунтоване для пояснення залежності червоного зміщення від відстані у статті 1962 року в журналі «Nature» професора фізики Манчестерського університету П. Ф. Брауна^[16]. Через три місяці провідний космолог Ральф Алфер надіслав листа до «Nature» у відповідь на цю пропозицію, різко критикуючи підхід: «Жодного загальноприйнятого фізичного механізму для цієї втрати не запропоновано»^[17]. До так званої «Ери точної космології», яка настала з результатами космічного апарату WMAP та сучасних оглядів об'єктів на високих червоних зміщеннях^[18], моделі «втомленого світла» іноді публікувалися у провідних журналах. Наприклад, у лютневому випуску «Nature» 1979 року була описана модель, яка пропонувала «розпад фотонів» у викривленому просторі-часі^[19], але за 5 місяців у тому ж журналі модель була розкритикована як повністю несумісна зі спостереженнями гравітаційного червоного зміщення на Сонці^[20]. У 1986 році в «Astrophysical Journal» вийшла стаття, що стверджувала, що теорії «втомленого світла» краще пояснюють червоне зміщення, ніж космічне розширення^[21], але десять місяців потому в тому ж журналі було показано, що такі моделі «втомленого світла» не відповідають наявним спостереженням^[22]. Зі зростанням точності космологічних вимірювань та покращенням статистики в космологічних даних теорії «втомленого світла» були фальсифіковані^[23][7][24] настільки надійно, що у 2001 році науковий журналіст Чарльз Сейф^[en] описав цю теорію як таку, що «ще 30 років тому опинилась далеко на периферії фізики; все ж науковці шукали більш прямі докази розширення космосу»^[25].