Lær om Doppler-effekten

Astronomer studerer lyset fra fjerne objekter for å forstå dem. Lys beveger seg gjennom verdensrommet med 299 000 kilometer i sekundet, og banen kan avbøyes av tyngdekraften, så vel som absorberes og spres av skyer av materiale i universet. Astronomer bruker mange lysegenskaper for å studere alt fra planeter og månene deres til de fjerneste objektene i kosmos.

Et verktøy de bruker er Doppler-effekten. Dette er et skifte i frekvens eller bølgelengde for stråling som sendes ut fra en gjenstand når den beveger seg gjennom rommet. Den er oppkalt etter den østerrikske fysikeren Christian Doppler som først foreslo den i 1842.

Hvordan fungerer Doppler-effekten? Hvis kilden til stråling, si a stjerne, beveger seg mot en astronom på jorden (for eksempel), så vil bølgelengden til strålingen vises kortere (høyere frekvens, og derfor høyere energi). På den annen side, hvis objektet beveger seg bort fra observatøren, vil bølgelengden vises lenger (lavere frekvens og lavere energi). Du har sannsynligvis opplevd en versjon av effekten da du hørte et togfløyte eller en sirene fra politiet da det beveget seg forbi deg, byttet tonehøyde når det passerer forbi deg og beveger seg bort.

Doppler-effekten ligger bak slike teknologier som politiradar, der "radarpistolen" avgir lys med en kjent bølgelengde. Deretter spretter det "lyset" fra en bil som beveger seg og reiser tilbake til instrumentet. Den resulterende skiftet i bølgelengde brukes til å beregne hastigheten på kjøretøyet. (Merk: det er faktisk et dobbelt skift da den bevegelige bilen først fungerer som observatøren og opplever et skift, deretter som en bevegelig kilde som sender lyset tilbake til kontoret, og forskyver dermed bølgelengden et sekund tid.)

Når et objekt trekker seg tilbake (dvs. beveger seg vekk) fra en observatør, vil toppene til strålingen som sendes ut være fordelt lenger fra hverandre enn de ville være hvis kildeobjektet var stasjonært. Resultatet er at den resulterende bølgelengden til lyset vises lenger. Astronomer sier at det er "forskjøvet til den røde" enden av spekteret.

Den samme effekten gjelder for alle bånd av det elektromagnetiske spekteret, som radio, røntgen eller gammastråler. Imidlertid er optiske målinger de vanligste og er kilden til begrepet "rødforskyvning". Jo raskere kilden beveger seg fra observatøren, desto større blir kilden rødforskyvning. Fra energisynspunkt tilsvarer lengre bølgelengder lavere energistråling.

Motsatt, når en strålingskilde nærmer seg en observatør, vises bølgelengdene til lyset nærmere hverandre, og effektivt forkorter lysets bølgelengde. (Igjen betyr kortere bølgelengde høyere frekvens og derfor høyere energi.) Spektroskopisk ville utslippslinjene virke forskjøvet mot den blå siden av det optiske spekteret, derav navnet Blueshift.

Som med rødforskyvning, er effekten gjeldende for andre bånd av det elektromagnetiske spekteret, men effekten er mest ofte diskuterte ganger når du arbeider med optisk lys, selv om dette i noen områder av astronomi absolutt ikke er det sak.

Bruk av Doppler Shift har resultert i noen viktige funn innen astronomi. På begynnelsen av 1900-tallet ble det antatt at univers var statisk. Faktisk ledet dette Albert Einstein å legge den kosmologiske konstanten til sin berømte feltligning for å "avbryte" utvidelsen (eller sammentrekningen) som ble forutsagt av hans beregning. Konkret ble det en gang antatt at "kanten" av Melkeveien representerte grensen for det statiske universet.

Deretter, Edwin Hubble fant ut at de såkalte "spiralnebularene" som hadde plaget astronomien i flere tiår var ikke tåler i det hele tatt. De var faktisk andre galakser. Det var en fantastisk oppdagelse og fortalte astronomer at univers er mye større enn de visste.

Hubble fortsatte deretter med å måle Doppler-skiftet, og fant spesifikt rødskiftet til disse galaksene. Han fant ut at jo lenger borte en galakse er, jo raskere går den tilbake. Dette førte til det nå berømte Hubbles lov, som sier at avstanden til et objekt er proporsjonal med nedgangstidens hastighet.

Denne åpenbaringen førte til at Einstein skrev det hans tillegg av den kosmologiske konstanten til feltligningen var den største bommerten i karrieren. Interessant er det imidlertid at noen forskere nå plasserer konstanten tilbake inn i generell relativitet.

Som det viser seg at Hubbles lov bare er opp til et punkt siden forskning de siste par tiårene har funnet det fjerne galakser avtar raskere enn forutsagt. Dette innebærer at universets utvidelse akselererer. Årsaken til dette er et mysterium, og forskere har kalt drivkraften til denne akselerasjonen mørk energi. De redegjør for den i Einstein-feltligningen som en kosmologisk konstant (selv om den er av en annen form enn Einsteins formulering).

I tillegg til å måle universets utvidelse, kan Doppler-effekten brukes til å modellere bevegelsen av ting mye nærmere hjemmet; nemlig dynamikken i Galaksen Melkeveien.

Ved å måle avstanden til stjerner og deres rødskift eller blåskift, er astronomer i stand til å kartlegge bevegelse av galaksen vår og få et bilde av hvordan galaksen vår kan se ut for en observatør fra hele kysten univers.

Doppler-effekten gjør det også mulig for forskere å måle pulseringen av variable stjerner, så vel som bevegelser av partikler som beveger seg med utrolige hastigheter i relativistiske jetstrømmer som springer ut fra supermassive sorte hull.

Redigert og oppdatert av Carolyn Collins Petersen.