Кристиан Андреас Доплер.
Представим спектральную линию с длиной волны λ0 в лаборатории здесь, на Земле. Если мы будем наблюдать ее на движущейся (приближающейся или удаляющейся) звезде или галактике, полоса будет смещаться, изменится ее длина волны λ, а формула, связывающая обе длины волны, будет иметь следующий вид:
λ =λ0(1 + v/c),
где v — скорость удаления, а с — скорость света. Если v положительна, λ > λ0, поэтому если полоса была желтой, смещение будет к красному цвету. Если v отрицательная, смещение будет к синему цвету. «Покраснение» используется как эквивалент смещения к большей длине волны.
В начале XX века не было различия между крупными объектами (за исключением планет), принадлежащими нашей и другим галактикам. И те, и другие назывались туманностями. Когда возникла необходимость их различать, Хаббл использовал термин «галактические туманности» и «внегалактические туманности». Ни разу за свою жизнь он не использовал термин «галактика», за исключением случаев, когда говорил о нашей галактике. Видимо, это было связано с враждой с Шепли, который настаивал именно на этом термине. Однако, поскольку эта книга посвящена Хабблу, а он использовал выражение «внегалактические туманности» или просто «туманности» (так как галактические туманности очень скоро перестали его интересовать), мы также будем пользоваться его терминологией, понимая, что «(внегалактическая) туманность» равнозначна современному понятию «галактика». Сегодня мы используем термин «галактика» для обозначения внегалактических туманностей, а термин «туманность» понимается как галактическая туманность. В этом словоупотреблении есть всего одно исключение: мы продолжаем говорить Туманность Андромеды, хотя, согласно описанному критерию, должны использовать выражение «галактика Андромеды». Наша галактика — одна из миллиарда других. Мы называем ее «нашей галактикой», или Млечным Путем: это полоса молочного цвета (см. рисунок), которая хорошо видна на ночном небе. Оба слова пишутся с заглавной буквы, поскольку они являются названием нашей галактики.
Художественное представление Млечного Пути.
Этот термин используется и в случае, когда мы находимся дальше красного цвета, в инфракрасном спектре, в радиоволнах. Также под термином «эффект посинения» понимается смещение к более короткой длине волны, даже когда мы выходим за границы синего цвета, двигаясь к ультрафиолетовому, рентгеновскому или γ излучению.
В астрофизике часто используется величина z, красное смещение (по-английски redshift), которое равно
z = (λ - λ0)/λ0.
То есть это перемещение линии в релятивистской концепции.
В случае красного смещения имеет место эффект Доплера, и мы приходим к выражению
z =v/с
В действительности в астрофизике измеряется красное смещение, z. Если оно интерпретируется как эффект Доплера, мы можем использовать эту формулу для вычисления скорости удаления (если z > 0) или приближения (если z < 0). Интерпретация, согласно которой z возникает из-за эффекта Доплера, очень проста. Мы увидим далее, что Хаббл не захотел высказывать своего мнения по данному вопросу, соглашаясь с мыслью о том, что возможны и другие причины покраснения. Мы вернемся к этому, но сейчас рассмотрим историческое развитие событий.
После обнаружения в Мюнхене Йозефом фон Фраунгофером (1787-1826) спектральных линий в солнечном излучении, астрофизика начала собирать точные данные в этой области. Скоро линии Фраунгофера были обнаружены в излучении звезд, и это позволило измерить их скорость, которая составила порядка 20-40 км/с. Следующим шагом было измерение скоростей туманностей. Были известны туманности, скорость которых примерно равна звездной; позже выяснилось, что они относятся к Млечному Пути. Затем настало время для измерения скоростей туманностей, имеющих вид вихрей; сегодня мы называем их спиральными галактиками.