Lisätietoja Doppler-ilmiöstä

Tähtitieteilijät tutkivat kaukana olevien esineiden valoa ymmärtääksesi niitä. Valo liikkuu avaruuden läpi nopeudella 299 000 kilometriä sekunnissa, ja sen reitti voidaan taipua painopisteen vaikutuksesta sekä absorboida ja hajauttaa maailmankaikkeuden materiaalipilvien läpi. Astronomit käyttävät monia valon ominaisuuksia tutkimaan kaikkea planeetoista ja heidän kuuistaan ​​kosmoksen kaikkein kauimpiin esineisiin.

Yksi työkalu, jota he käyttävät, on Doppler-efekti. Tämä on muutos esineestä emittoidun säteilyn taajuudessa tai aallonpituudessa liikkuessaan avaruuden läpi. Se on nimetty itävaltalaisen fyysikon Christian Dopplerin mukaan, joka ehdotti sitä ensimmäisen kerran vuonna 1842.

Kuinka Doppler-ilmiö toimii? Jos säteilylähde, sano a tähti, siirtyy kohti tähtitieteilijää maan päällä (esimerkiksi), sen säteilyn aallonpituus näyttää lyhyemmältä (korkeampi taajuus ja siten korkeampi energia). Toisaalta, jos esine siirtyy pois tarkkailijasta, aallonpituus näyttää pidemmältä (alempi taajuus ja matalampi energia). Olet todennäköisesti kokenut version vaikutelmasta, kun kuulit junan pillin tai poliisin sireenin liikkuessaan ohi, muuttaen äänenkorkeutta ohi ohi ja siirtyessäsi pois.

Doppler-efekti on sellaisten tekniikoiden takana kuin poliisitutka, jossa "tutka-ase" säteilee tunnetun aallonpituuden omaavaa valoa. Sitten tämä tutkan "valo" poistuu liikkuvasta autosta ja palaa takaisin instrumenttiin. Saatua aallonpituuden muutosta käytetään ajoneuvon nopeuden laskemiseen. (Huomaa: se on todella kaksinkertainen vuoro, koska liikkuva auto toimii ensin tarkkailijana ja kokee vuoron, sitten liikkuvana lähteenä, joka lähettää valon takaisin toimistoon, siirtäen siten aallonpituutta sekunnissa aika.)

Kun esine poistuu (ts. Siirtyy pois) tarkkailijasta, säteilevän säteilyn huiput sijaitsevat kauempana toisistaan ​​kuin ne olisivat, jos lähdekohde olisi paikallaan. Tuloksena on, että tuloksena oleva valon aallonpituus näyttää pidemmältä. Astronomit sanovat, että se on "siirtynyt punaiseen" spektrin päähän.

Sama vaikutus koskee kaikkia sähkömagneettisen spektrin kaistoja, kuten radio, röntgen tai gammasäteitä. Kuitenkin optiset mittaukset ovat yleisimpiä ja ovat termin "punasiirtymä" lähde. Mitä nopeammin lähde siirtyy pois tarkkailijasta, sitä suurempi on punasiirtymä. Energian kannalta pidemmät aallonpituudet vastaavat alhaisempaa energiasäteilyä.

Toisaalta, kun säteilylähde lähestyy tarkkailijaa, valon aallonpituudet näyttävät lähempänä toisiaan, lyhentäen tehokkaasti valon aallonpituutta. (Lyhyempi aallonpituus tarkoittaa taas korkeampaa taajuutta ja siten korkeampaa energiaa.) Spektroskooppisesti emissiolinjat näyttäisivät siirtyvän kohti optisen spektrin sinisttä puolta, tästä syystä nimi blueshift.

Kuten punasiirtymässä, vaikutus on sovellettavissa muihin sähkömagneettisen spektrin kaistoihin, mutta vaikutus on suurin Usein keskustellaan käsitellessään optista valoa, vaikka joillain tähtitieteen aloilla tämä ei todellakaan ole tapaus.

Doppler-muutoksen käyttö on johtanut tärkeisiin löytöihin tähtitiedeessä. 1900-luvun alussa uskottiin, että maailmankaikkeus oli staattinen. Itse asiassa tämä johti Albert Einstein lisätä kosmologinen vakio hänen kuuluisaan kenttäyhtälöönsä laajennuksen (tai supistumisen) "peruuttamiseksi", joka hänen laskelmassaan ennustettiin. Erityisesti kerran uskottiin, että Linnunrata edustaa staattisen maailmankaikkeuden rajaa.

Sitten, Edwin Hubble havaitsi, että niin kutsutut "spiraalisumut", jotka olivat vaivanneet tähtitiedettä vuosikymmenien ajan, olivat ei sumut ollenkaan. Ne olivat oikeasti muita galakseja. Se oli uskomaton löytö ja kertoi tähtitieteilijöille, että maailmankaikkeus on paljon suurempi kuin he tiesivät.

Sitten Hubble mittasi Doppler-siirtymän etsiessään erityisesti näiden galaksien punasiirtymää. Hän huomasi, että mitä kauempana galaksi on, sitä nopeammin se taantuu. Tämä johti nyt kuuluisuuteen Hubblen laki, joka kertoo, että esineen etäisyys on verrannollinen taantumanopeuteen.

Tämä ilmoitus sai Einsteinin kirjoittamaan sen hänen kosmologisen vakion lisääminen kenttäyhtälöön oli hänen uransa suurin virhe. Mielenkiintoista on, että jotkut tutkijat asettavat nyt vakion takaisin osaksi yleinen suhteellisuusteoria.

Kuten käy ilmi, Hubblen laki on totta vain tiettyyn pisteeseen saakka, koska parin viime vuosikymmenen tutkimuksissa on todettu, että kaukaiset galaksit ovat taantumassa ennakoitua nopeammin. Tämä tarkoittaa, että maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy. Syynä tähän on mysteeri, ja tutkijat ovat puhuneet tämän kiihtyvyyden käyttövoimasta tumma energia. He käsittelevät sitä Einsteinin kenttäyhtälössä kosmologisena vakiona (vaikkakin se on eri muodossa kuin Einsteinin formulaatio).

Doppler-ilmiön avulla voidaan mitata maailmankaikkeuden laajentumista ja mallintaa asioiden liikkumista paljon lähempänä kotia; nimittäin Linnunrata.

Mittaamalla etäisyys tähtiin ja niiden punasiirtymä tai blueshift, tähtitieteilijät voivat kartoittaa saadaksemme kuvan siitä, miltä galaksiamme voi näyttää tarkkailijalle ympäri maailmankaikkeus.

Doppler-efekti antaa tutkijoille mahdollisuuden mitata myös muuttuvien tähtien pulsaatiota hiukkasten liikkeet, jotka kulkevat uskomattoman nopeudella esiintyvien relativististen suihkuputkien sisällä alkaen supermassiiviset mustat aukot.

Toimittanut ja päivittänyt Carolyn Collins Petersen.