Lär dig mer om Doppler-effekten

Astronomer studerar ljuset från avlägsna föremål för att förstå dem. Ljus rör sig genom rymden med 299 000 kilometer per sekund, och dess väg kan böjas av tyngdkraften såväl som absorberas och sprids av materialmoln i universum. Astronomer använder många ljusegenskaper för att studera allt från planeter och deras månar till de mest avlägsna föremålen i kosmos. 

Fördjupa i Doppler-effekten

Ett verktyg de använder är Doppler-effekten. Detta är en förskjutning i frekvensen eller våglängden för strålning som släpps ut från ett objekt när det rör sig genom rymden. Den är uppkallad efter den österrikiska fysikern Christian Doppler som först föreslog den 1842. 

Hur fungerar Doppler-effekten? Om strålningskällan, säger en stjärna, rör sig mot en astronom på jorden (till exempel), kommer våglängden för strålningen att visas kortare (högre frekvens, och därför högre energi). Å andra sidan, om objektet rör sig bort från observatören kommer våglängden att visas längre (lägre frekvens och lägre energi). Du har antagligen upplevt en version av effekten när du hörde ett tågflöjta eller en polissirene när det rörde sig förbi dig, bytte tonhöjd när det passerar förbi dig och flyttar.

Doppler-effekten ligger bakom sådana tekniker som polisradar, där "radarpistolen" avger ljus med en känd våglängd. Sedan studsar radarljuset från en rörlig bil och reser tillbaka till instrumentet. Den resulterande växlingen i våglängden används för att beräkna fordonets hastighet. (Obs: det är faktiskt en dubbel växling eftersom den rörliga bilen först fungerar som observatören och upplever en växling, sedan som en rörlig källa som skickar ljuset tillbaka till kontoret och därmed förskjuter våglängden en andra gång.)

Rödförskjutning

När ett objekt avtar (dvs flyttar bort) från en iakttagare kommer topparna av strålningen som avges att vara avstånd längre ifrån varandra än de skulle vara om källobjektet var stationärt. Resultatet är att den resulterande våglängden för ljus visas längre. Astronomer säger att det "skiftas till det röda" slutet av spektrumet.

Samma effekt gäller för alla band i det elektromagnetiska spektrumet, till exempel radio, röntgen eller gammastrålar. Optiska mätningar är dock de vanligaste och är källan till termen "redshift". Ju snabbare källan flyttar sig bort från observatören, desto större blir rödskiftet. Ur energisynpunkt motsvarar längre våglängder lägre energistrålning.

Blueshift

Omvänt när en strålningskälla närmar sig en iakttagare verkar ljusets våglängder närmare varandra, vilket effektivt förkortar ljusets våglängd. (Återigen betyder kortare våglängd högre frekvens och därför högre energi.) Spektroskopiskt verkar emissionslinjerna förskjutna mot det blå sidan av det optiska spektrumet, därav namnet blåskift.

Liksom med rödförskjutning är effekten tillämplig på andra band i det elektromagnetiska spektrumet, men effekten diskuteras oftast när man handlar med optiskt ljus, men i vissa astronomifält är detta verkligen inte fallet.

Expansion av universum och Doppler Shift

Användningen av Doppler Shift har resulterat i några viktiga upptäckter inom astronomin. I början av 1900-talet trodde man att universum var statiskt. I själva verket ledde detta till att Albert Einstein lägger till den kosmologiska konstanten i sin berömda fältekvation för att "avbryta" den expansion (eller sammandragning) som förutses av hans beräkning. Specifikt troddes en gång att "kanten" på Vintergatan representerade gränsen för det statiska universum.

Sedan fann Edwin Hubble att de så kallade "spiralnebulor" som hade plågat astronomin i decennier var inte nebulosor alls. De var faktiskt andra galaxer. Det var en fantastisk upptäckt och sa till astronomer att universum är mycket större än de visste.

Hubble fortsatte sedan att mäta Doppler-förskjutningen, och fann specifikt rödskiftet av dessa galaxer. Han fann att ju längre bort en galax är, desto snabbare går den tillbaka. Detta ledde till den nu berömda Hubbles lag, som säger att ett objekts avstånd är proportionellt mot dess lågkonjunktur.

Denna uppenbarelse fick Einstein att skriva det hans tillägg av den kosmologiska konstanten till fältekvationen var den största bommaren i hans karriär. Intressant är dock att vissa forskare nu placerar konstanten tillbaka till allmän relativitet.

Det visar sig att Hubbles lag endast är upp till en tidpunkt eftersom forskning under de senaste decennierna har funnit att avlägsna galaxer går tillbaka snabbare än förutspådd. Detta innebär att universums expansion växer snabbare. Anledningen till detta är ett mysterium, och forskare har dubblat drivkraften för denna acceleration mörk energi. De redogör för den i Einstein-fältekvationen som en kosmologisk konstant (även om den är av en annan form än Einsteins formulering).

Andra användningsområden inom astronomi

Förutom att mäta universums expansion kan Doppler-effekten användas för att modellera rörelsens saker mycket närmare hemmet; nämligen dynamiken i Vintergalaxen.