Lær mere om Doppler-effekten

Astronomer studerer lyset fra fjerne objekter for at forstå dem. Lys bevæger sig gennem rummet med 299.000 kilometer i sekundet, og dets vej kan afbøjes af tyngdekraften såvel som absorberes og spredes af skyer af materiale i universet. Astronomer bruger mange egenskaber ved lys til at studere alt fra planeter og deres måner til de fjerneste objekter i kosmos.

Et værktøj, de bruger, er Doppler-effekten. Dette er en forskydning i frekvensen eller bølgelængden af ​​stråling, der udsendes fra et objekt, når det bevæger sig gennem rummet. Det er opkaldt efter den østrigske fysiker Christian Doppler, der først foreslog det i 1842.

Hvordan fungerer Doppler-effekten? Hvis strålekilden, skal du sige a stjerne, bevæger sig mod en astronom på Jorden (for eksempel), så vil bølgelængden af ​​dens stråling vises kortere (højere frekvens og derfor højere energi). På den anden side, hvis objektet bevæger sig væk fra observatøren, vil bølgelængden vises længere (lavere frekvens og lavere energi). Du har sandsynligvis oplevet en version af effekten, da du hørte et togfløjte eller en politisirene, da det bevægede sig forbi dig, skiftede tonehøjde, når det passerer forbi dig og flytter væk.

Doppler-effekten ligger bag sådanne teknologier som politiradar, hvor "radarpistolen" udsender lys med en kendt bølgelængde. Derefter springer det "lys" fra radaren fra en bevægelig bil og rejser tilbage til instrumentet. Den resulterende skift i bølgelængde bruges til at beregne køretøjets hastighed. (Bemærk: det er faktisk et dobbelt skift, da den bevægende bil først fungerer som observatøren og oplever et skift, derefter som en bevægelig kilde, der sender lyset tilbage til kontoret, hvorved bølgelængden skiftes et sekund tid.)

Når et objekt trækker sig tilbage (dvs. bevæger sig væk) fra en observatør, vil bjergtoppene, der udsendes, være fordelt længere fra hinanden, end de ville være, hvis kildeobjektet var stationært. Resultatet er, at den resulterende bølgelængde af lys vises længere. Astronomer siger, at det er "skiftet til den røde" ende af spektret.

Den samme virkning gælder for alle bånd i det elektromagnetiske spektrum, f.eks radio, røntgenbillede eller gammastråler. Optiske målinger er dog de mest almindelige og er kilden til udtrykket "rødskift". Jo hurtigere kilden bevæger sig væk fra observatøren, jo større er kilden rødforskydning. Fra energisynspunkt svarer længere bølgelængder til lavere energistråling.

Omvendt, når en strålingskilde nærmer sig en observatør, vises lysets bølgelængder tættere på hinanden, hvilket effektivt forkorter lysets bølgelængde. (Igen betyder kortere bølgelængde højere frekvens og derfor højere energi.) Spektroskopisk ser emissionslinjerne ud til at være forskudt mod den blå side af det optiske spektrum, deraf navnet blueshift.

Som med rødskift gælder virkningen for andre bånd i det elektromagnetiske spektrum, men effekten er mest ofte diskuterede tider, når man beskæftiger sig med optisk lys, skønt dette i nogle områder af astronomi bestemt ikke er tilfældet sag.

Brug af Doppler Shift har resulteret i nogle vigtige opdagelser inden for astronomi. I de tidlige 1900'ere blev det antaget, at univers var statisk. Faktisk førte dette Albert Einstein at tilføje den kosmologiske konstant til hans berømte feltligning for at "annullere" udvidelsen (eller sammentrækningen), der blev forudsagt af hans beregning. Konkret blev det engang antaget, at "kanten" af Mælkevejen repræsenterede grænsen for det statiske univers.

Derefter, Edwin Hubble fandt, at de såkaldte "spiralnebularer", der havde plaget astronomien i årtier ikke overhovedet tåge. Det var faktisk andre galakser. Det var en fantastisk opdagelse og fortalte astronomer, at univers er meget større, end de vidste.

Hubble fortsatte derefter med at måle Doppler-skiftet og specifikt finde rødskiftet af disse galakser. Han fandt ud af, at jo længere væk en galakse er, desto hurtigere går den tilbage. Dette førte til det nu berømte Hubbles lov, der siger, at et objekts afstand er proportional med dets recessionhastighed.

Denne åbenbaring fik Einstein til at skrive det hans tilføjelse af den kosmologiske konstant til feltligningen var den største bommert i hans karriere. Det er dog interessant, at nogle forskere nu placerer konstanten tilbage ind i generel relativitet.

Det viser sig, at Hubbles lov kun er sandt, indtil forskning i de sidste par årtier har fundet det fjerne galakser forsvinder hurtigere end forventet. Dette indebærer, at udvidelsen af ​​universet accelererer. Årsagen til dette er et mysterium, og forskere har kaldt drivkraften for denne acceleration mørk energi. De redegør for det i Einstein-feltligningen som en kosmologisk konstant (skønt det er af en anden form end Einsteins formulering).

Ud over at måle universets udvidelse kan Doppler-effekten bruges til at modellere bevægelsen af ​​ting meget tættere på hjemmet; nemlig dynamikken i Milky Way Galaxy.

Ved at måle afstanden til stjerner og deres rødskift eller blåskifte er astronomer i stand til at kortlægge bevægelse af vores galakse og få et billede af, hvordan vores galakse kan se ud for en observatør fra tværs af univers.

Doppler-effekten giver også videnskabsmænd mulighed for at måle pulseringer af variable stjerner såvel som bevægelser af partikler, der bevæger sig med utrolige hastigheder inden i relativistiske jetstrømme, der springer ud fra supermassive sorte huller.

Redigeret og opdateret af Carolyn Collins Petersen.