Dowiedz się więcej o efekcie Dopplera

Astronomowie wykorzystują efekt Dopplera do pomiaru częstotliwości fal świetlnych, gdy obiekt porusza się względem obserwatora. Częstotliwość jest krótsza, gdy porusza się w twoim kierunku, a obiekt pokazuje przesunięcie ku czerwieni. Jeśli obiekt się oddala, pokazuje przesunięcie ku czerwieni. Ukazuje się to w widmach światła gwiazdowego jako przesunięcie czarnych linii (zwanych liniami absorpcyjnymi), jak pokazano tutaj. Carolyn Collins Petersen

Astronomowie badają światło z odległych obiektów, aby je zrozumieć. Światło porusza się w przestrzeni z prędkością 299 000 kilometrów na sekundę, a jego droga może być odchylana przez grawitację, a także pochłaniana i rozpraszana przez chmury materii we wszechświecie. Astronomowie wykorzystują wiele właściwości światła do badania wszystkiego, od planet i ich księżyców po najbardziej odległe obiekty w kosmosie.

Zagłębianie się w efekt Dopplera

Jednym z narzędzi, z których korzystają, jest efekt Dopplera. Jest to zmiana częstotliwości lub długości fali promieniowania emitowanego przez obiekt poruszający się w przestrzeni. Jego nazwa pochodzi od austriackiego fizyka Christiana Dopplera, który jako pierwszy zaproponował go w 1842 roku.

Jak działa efekt Dopplera? Jeśli źródło promieniowania, powiedz a gwiazda , zbliża się do astronoma na Ziemi (na przykład), wtedy długość fali jego promieniowania będzie krótsza (wyższa częstotliwość, a tym samym wyższa energia). Z drugiej strony, jeśli obiekt oddala się od obserwatora, długość fali będzie dłuższa (niższa częstotliwość i niższa energia). Prawdopodobnie doświadczyłeś wersji tego efektu, gdy usłyszałeś gwizdek pociągu lub syrenę policyjną, gdy przejechał obok ciebie, zmieniając ton, gdy mija cię i oddala się.

Efekt Dopplera kryje się za takimi technologiami, jak radar policyjny, w którym „działo radarowe” emituje światło o znanej długości fali. Następnie to „światło” radaru odbija się od jadącego samochodu i wraca do instrumentu. Wynikające z tego przesunięcie długości fali jest wykorzystywane do obliczania prędkości pojazdu. ( Uwaga: w rzeczywistości jest to podwójna zmiana, ponieważ poruszający się samochód najpierw działa jako obserwator i doświadcza zmiany, a następnie jako ruchome źródło wysyłające światło z powrotem do biura, zmieniając w ten sposób długość fali po raz drugi. )

Przesunięcie ku czerwieni

Kiedy obiekt oddala się (tj. oddala się) od obserwatora, piki emitowanego promieniowania będą oddalone od siebie dalej, niż byłyby, gdyby obiekt źródłowy był nieruchomy. W rezultacie uzyskana długość fali światła wydaje się dłuższa. Astronomowie twierdzą, że jest „przesunięty na czerwony” koniec widma.

Ten sam efekt dotyczy wszystkich pasm widma elektromagnetycznego, takich jak radio , prześwietlenie lub promienie gamma . Jednak pomiary optyczne są najbardziej powszechne i są źródłem terminu „przesunięcie ku czerwieni”. Im szybciej źródło oddala się od obserwatora, tym większe przesunięcie ku czerwieni . Z energetycznego punktu widzenia, dłuższe fale odpowiadają niższemu promieniowaniu energetycznemu.

Przesunięcie niebieskie

I odwrotnie, gdy źródło promieniowania zbliża się do obserwatora, długości fal światła wydają się być bliżej siebie, skutecznie skracając długość fali światła. (Ponownie, krótsza długość fali oznacza wyższą częstotliwość, a tym samym wyższą energię.) Spektroskopowo linie emisyjne wydają się przesunięte w kierunku niebieskiej strony widma optycznego, stąd nazwa przesunięcie do błękitu .

Podobnie jak w przypadku przesunięcia ku czerwieni, efekt ma zastosowanie do innych pasm widma elektromagnetycznego, ale efekt jest najczęściej omawiany w przypadku światła optycznego, chociaż w niektórych dziedzinach astronomii z pewnością tak nie jest.

Ekspansja Wszechświata i przesunięcie Dopplera

Użycie przesunięcia Dopplera zaowocowało kilkoma ważnymi odkryciami w astronomii. Na początku XX wieku wierzono, że wszechświat był statyczny. W rzeczywistości doprowadziło toAlberta Einsteinadodać stałą kosmologiczną do swojego słynnego równania pola, aby „anulować” ekspansję (lub skrócenie) przewidywaną przez jego obliczenia. W szczególności kiedyś wierzono, że „krawędź” droga Mleczna reprezentował granicę statycznego wszechświata.

Następnie, Edwina Hubble'a odkryli, że tak zwane „mgławice spiralne”, które nękały astronomię przez dziesięciolecia, były: nie mgławice w ogóle. W rzeczywistości były to inne galaktyki. To było niesamowite odkrycie i powiedziało astronomom, że wszechświat jest znacznie większy niż wiedzieli.

Następnie Hubble przystąpił do pomiaru przesunięcia Dopplera, a konkretnie znalazł przesunięcie ku czerwieni tych galaktyk. Odkrył, że im dalej znajduje się galaktyka, tym szybciej się oddala. Doprowadziło to do sławnego teraz Prawo Hubble'a , który mówi, że odległość obiektu jest proporcjonalna do jego szybkości recesji.

To odkrycie skłoniło Einsteina do napisania tego jego dodanie stałej kosmologicznej do równania pola było największym błędem w jego karierze. Co ciekawe jednak, niektórzy badacze umieszczają teraz stałą plecy w ogólna teoria względności .

Jak się okazuje, prawo Hubble'a jest prawdziwe tylko do pewnego momentu, ponieważ badania przeprowadzone w ciągu ostatnich kilku dekad wykazały, żeodległe galaktykiustępują szybciej niż przewidywano. Oznacza to, że ekspansja wszechświata przyspiesza. Powód tego jest tajemnicą, a naukowcy nazwali siłę napędową tego przyspieszenia ciemna energia . Wyjaśniają to w równaniu pola Einsteina jako stałą kosmologiczną (choć ma ona inną postać niż sformułowanie Einsteina).

Inne zastosowania w astronomii

Oprócz pomiaru rozszerzania się wszechświata, efekt Dopplera można wykorzystać do modelowania ruchu obiektów znacznie bliżej domu; mianowicie dynamika Galaktyka drogi mlecznej .

Mierząc odległość do gwiazd i ich przesunięcie ku czerwieni lub niebieskiemu, astronomowie są w stanie odwzorować ruch naszej galaktyki i uzyskać obraz tego, jak nasza galaktyka może wyglądać dla obserwatora z całego wszechświata.

Efekt Dopplera pozwala również naukowcom mierzyć pulsacje gwiazd zmiennych, a także ruchy cząstek poruszających się z niewiarygodnymi prędkościami w relatywistycznych strumieniach dżetów pochodzących z supermasywne czarne dziury .

Edytowane i aktualizowane przezCarolyn Collins Petersen.