Erfahren Sie mehr über den Doppler-Effekt

Astronomen untersuchen das Licht entfernter Objekte, um sie zu verstehen. Licht bewegt sich mit 299.000 Kilometern pro Sekunde durch den Weltraum, und sein Weg kann durch die Schwerkraft abgelenkt sowie von Materialwolken im Universum absorbiert und gestreut werden. Astronomen nutzen viele Eigenschaften des Lichts, um alles zu untersuchen, von Planeten und ihren Monden bis zu den entferntesten Objekten im Kosmos.

Ein Werkzeug, das sie verwenden, ist der Doppler-Effekt. Dies ist eine Verschiebung der Frequenz oder Wellenlänge der Strahlung, die von einem Objekt emittiert wird, wenn es sich durch den Raum bewegt. Es ist nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler benannt, der es erstmals 1842 vorschlug.

Wie funktioniert der Doppler-Effekt? Wenn die Strahlungsquelle, sagen Sie a Starbewegt sich auf einen Astronomen auf der Erde zu (zum Beispiel), dann erscheint die Wellenlänge seiner Strahlung kürzer (höhere Frequenz und damit höhere Energie). Wenn sich das Objekt dagegen vom Betrachter wegbewegt, erscheint die Wellenlänge länger (niedrigere Frequenz und niedrigere Energie). Sie haben wahrscheinlich eine Version des Effekts erlebt, als Sie ein Zugpfeifen oder eine Polizeisirene hörten, als es an Ihnen vorbeifuhr und die Tonhöhe änderte, wenn es an Ihnen vorbeifuhr und sich entfernte.

Der Doppler-Effekt steckt hinter solchen Technologien wie Polizeiradar, bei denen die "Radarpistole" Licht einer bekannten Wellenlänge aussendet. Dann prallt dieses Radar- "Licht" von einem fahrenden Auto ab und fährt zurück zum Instrument. Die resultierende Wellenlängenverschiebung wird verwendet, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu berechnen. (Hinweis: Es handelt sich tatsächlich um eine Doppelschicht, da das sich bewegende Auto zuerst als Beobachter fungiert und eine Schicht erfährt. dann als bewegliche Quelle, die das Licht zurück ins Büro sendet und dadurch die Wellenlänge um eine Sekunde verschiebt Zeit.)

Wenn sich ein Objekt von einem Beobachter zurückzieht (d. H. Sich von ihm entfernt), sind die emittierten Spitzen der Strahlung weiter voneinander entfernt als wenn das Quellobjekt stationär wäre. Das Ergebnis ist, dass die resultierende Wellenlänge des Lichts länger erscheint. Astronomen sagen, dass es "zum roten" Ende des Spektrums verschoben ist.

Der gleiche Effekt gilt für alle Bänder des elektromagnetischen Spektrums, wie z Radio, Röntgen oder gamma Strahlen. Optische Messungen sind jedoch am häufigsten und die Quelle des Begriffs "Rotverschiebung". Je schneller sich die Quelle vom Beobachter entfernt, desto größer ist die Rotverschiebung. Aus energetischer Sicht entsprechen längere Wellenlängen einer Strahlung niedrigerer Energie.

Wenn sich umgekehrt eine Strahlungsquelle einem Beobachter nähert, erscheinen die Wellenlängen des Lichts näher beieinander, wodurch die Wellenlänge des Lichts effektiv verkürzt wird. (Wiederum bedeutet eine kürzere Wellenlänge eine höhere Frequenz und damit eine höhere Energie.) Spektroskopisch würden die Emissionslinien in Richtung der blauen Seite des optischen Spektrums verschoben erscheinen, daher der Name Blauverschiebung.

Wie bei der Rotverschiebung ist der Effekt auf andere Bänder des elektromagnetischen Spektrums anwendbar, aber der Effekt ist am größten oft diskutiert, wenn es um optisches Licht geht, obwohl dies in einigen Bereichen der Astronomie sicherlich nicht der Fall ist Fall.

Die Verwendung der Doppler-Verschiebung hat zu einigen wichtigen Entdeckungen in der Astronomie geführt. In den frühen 1900er Jahren glaubte man, dass die Universum war statisch. In der Tat führte dies Albert Einstein die kosmologische Konstante zu seiner berühmten Feldgleichung hinzuzufügen, um die durch seine Berechnung vorhergesagte Expansion (oder Kontraktion) "aufzuheben". Insbesondere wurde einmal angenommen, dass die "Kante" der Milchstraße stellte die Grenze des statischen Universums dar.

Dann, Edwin Hubble fanden heraus, dass die sogenannten "Spiralnebel", die die Astronomie seit Jahrzehnten geplagt hatten, waren nicht Nebel überhaupt. Sie waren tatsächlich andere Galaxien. Es war eine erstaunliche Entdeckung und sagte den Astronomen, dass die Universum ist viel größer als sie wussten.

Hubble fuhr dann fort, die Doppler-Verschiebung zu messen und insbesondere die Rotverschiebung dieser Galaxien zu finden. Er fand heraus, dass eine Galaxie umso schneller zurückgeht, je weiter sie entfernt ist. Dies führte zu dem mittlerweile berühmten Hubbles Gesetz, was besagt, dass die Entfernung eines Objekts proportional zu seiner Rezessionsgeschwindigkeit ist.

Diese Offenbarung veranlasste Einstein, das zu schreiben seine Das Hinzufügen der kosmologischen Konstante zur Feldgleichung war der größte Fehler seiner Karriere. Interessanterweise setzen einige Forscher jetzt die Konstante zurück in generelle Relativität.

Wie sich herausstellt, gilt das Hubble-Gesetz nur bis zu einem gewissen Punkt, da die Forschung in den letzten Jahrzehnten dies herausgefunden hat entfernte Galaxien gehen schneller zurück als vorhergesagt. Dies impliziert, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Der Grund dafür ist ein Rätsel, und Wissenschaftler haben die treibende Kraft dieser Beschleunigung genannt dunkle Energie. Sie erklären dies in der Einstein-Feldgleichung als kosmologische Konstante (obwohl sie eine andere Form hat als Einsteins Formulierung).

Neben der Messung der Expansion des Universums kann der Doppler-Effekt verwendet werden, um die Bewegung von Dingen zu modellieren, die viel näher an der Heimat liegen. nämlich die Dynamik der Milchstraße.

Durch Messen der Entfernung zu Sternen und ihrer Rotverschiebung oder Blauverschiebung können Astronomen die kartieren Bewegung unserer Galaxie und machen Sie sich ein Bild davon, wie unsere Galaxie für einen Beobachter aus der ganzen Welt aussehen könnte Universum.

Mit dem Doppler-Effekt können Wissenschaftler auch die Pulsationen variabler Sterne messen Bewegungen von Partikeln, die sich mit unglaublichen Geschwindigkeiten in relativistischen Strahlströmen bewegen von supermassive Schwarze Löcher.

Bearbeitet und aktualisiert von Carolyn Collins Petersen.