Was sind Rotverschiebung und Blauverschiebung?

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Das sichtbare Lichtspektrum. (Bildnachweis: NASA.)



Rotverschiebung und Blauverschiebung beschreiben, wie sich Licht zu kürzeren oder längeren Wellenlängen hin verschiebt, wenn sich Objekte im Weltraum (wie Sterne oder Galaxien) näher oder weiter von uns entfernen. Das Konzept ist der Schlüssel zur Darstellung der Expansion des Universums.



Sichtbares Licht ist ein Farbspektrum, das jedem klar ist, der einen Regenbogen betrachtet hat. Wenn sich ein Objekt von uns wegbewegt, wird das Licht mit zunehmender Wellenlänge an das rote Ende des Spektrums verschoben. Wenn sich ein Objekt nähert, bewegt sich das Licht zum blauen Ende des Spektrums, da seine Wellenlängen kürzer werden.

Um dies klarer zu sehen, schlägt die Europäische Weltraumorganisation vor, sich vorzustellen, wie Sie einer Polizeisirene zuhören, während das Auto auf der Straße an Ihnen vorbeirauscht.



„Jeder hat die zunehmende Lautstärke einer sich nähernden Polizeisirene und die starke Abnahme der Sirene beim Vorbeifahren und Zurückweichen der Sirene gehört. Der Effekt entsteht, weil die Schallwellen bei Annäherung der Quelle näher beieinander und beim Zurückweichen weiter auseinander am Ohr des Hörers ankommen. ESA schrieb .

Ton und Licht

Dieser Klangeffekt wurde erstmals im 19. Jahrhundert von Christian Andreas Doppler beschrieben und wird als Doppler-Effekt bezeichnet. Da Licht auch in Wellenlängen ausstrahlt, bedeutet dies, dass sich die Wellenlängen je nach relativer Position von Objekten dehnen oder zusammenknirschen können. Das heißt, wir bemerken es nicht in der Größenordnung des täglichen Lebens, weil sich Licht so viel schneller ausbreitet als die Schallgeschwindigkeit – eine Million Mal schneller, stellte die ESA fest.

US-amerikanischer Astronom Edwin Hubble (nach dem das Hubble-Weltraumteleskop benannt ist) war der erste, der das Rotverschiebungsphänomen beschrieb und mit einem expandierenden Universum in Verbindung brachte. Seine Beobachtungen, die 1929 enthüllt wurden, zeigten, dass sich fast alle Galaxien, die er beobachtete, entfernten. NASA sagte .



'Dieses Phänomen wurde als Rotverschiebung des Spektrums einer Galaxie beobachtet', schrieb die NASA. „Diese Rotverschiebung schien für schwache, vermutlich weiter entfernte Galaxien größer zu sein. Je weiter eine Galaxie daher entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich von der Erde.'

Die Galaxien entfernen sich von der Erde, weil sich das Raumgefüge selbst ausdehnt. Während die Galaxien selbst in Bewegung sind – die Andromeda-Galaxie und Milchstraße zum Beispiel auf Kollisionskurs – es gibt ein allgemeines Phänomen der Rotverschiebung, wenn das Universum größer wird.

Die Begriffe Rotverschiebung und Blauverschiebung gelten für jeden Teil der elektromagnetisches Spektrum , einschließlich Radiowellen, Infrarot, Ultraviolett, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Wenn also Radiowellen in den ultravioletten Teil des Spektrums verschoben werden, spricht man von einer Blauverschiebung oder einer Verschiebung zu den höheren Frequenzen. In Radiowellen verschobene Gammastrahlen würden eine Verschiebung zu einer niedrigeren Frequenz oder eine Rotverschiebung bedeuten.



Die Rotverschiebung eines Objekts wird gemessen, indem die Absorptions- oder Emissionslinien in seinem Spektrum untersucht werden. Diese Linien sind für jedes Element eindeutig und haben immer den gleichen Abstand. Wenn sich ein Objekt im Raum auf uns zu oder von uns weg bewegt, können die Linien bei anderen Wellenlängen gefunden werden, als wenn sich das Objekt (relativ zu uns) nicht bewegen würde. [ Verwandte: Machen Sie Ihr eigenes Spektroskop ]

Die Rotverschiebung ist definiert als die Änderung der Wellenlänge des Lichts geteilt durch die Wellenlänge, die das Licht hätte, wenn sich die Quelle nicht bewegte – die sogenannte Ruhewellenlänge:

Drei Arten von Rotverschiebung

Mindestens drei Arten von Rotverschiebung treten im Universum auf – durch die Expansion des Universums, durch die Bewegung der Galaxien relativ zueinander und durch die „gravitative Rotverschiebung“, die auftritt, wenn Licht aufgrund der massiven Menge an Materie innerhalb einer Galaxie verschoben wird.

Diese letztere Rotverschiebung ist die subtilste der drei, aber im Jahr 2011 konnten Wissenschaftler sie auf einer universumsgroßen Skala identifizieren. Astronomen führten eine statistische Analyse eines großen Katalogs durch, der als Sloan Digital Sky Survey bekannt ist, und fanden heraus, dass eine gravitative Rotverschiebung stattfindet – genau im Einklang mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Diese Arbeit wurde in einem Nature Paper veröffentlicht.

'Wir haben unabhängige Messungen der Haufenmassen, damit wir auf der Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie die Erwartung einer gravitativen Rotverschiebung berechnen können', sagte damals der Astrophysiker der Universität Kopenhagen, Radek Wojtak. 'Es stimmt genau mit den Messungen dieses Effekts überein.'

Der erste Nachweis einer gravitativen Rotverschiebung erfolgte 1959, nachdem Wissenschaftler entdeckt hatten, dass sie in Gammastrahlen auftritt, die von einem erdbasierten Labor ausgehen. Vor 2011 wurde es auch in der Sonne und in nahegelegenen Weißen Zwergen oder den toten Sternen gefunden, die übrig bleiben, nachdem sonnengroße Sterne spät in ihrem Leben die Kernfusion eingestellt haben.

Bemerkenswerte Verwendungen von Rotverschiebung

Redshift hilft Astronomen, die Entfernungen weit entfernter Objekte zu vergleichen. Im Jahr 2011 gaben Wissenschaftler bekannt, dass sie das am weitesten entfernte Objekt gesehen haben, das jemals gesehen wurde – einen Gammastrahlenausbruch namens GRB 090429B, der von einem explodierenden Stern ausging. Damals schätzten Wissenschaftler, dass die Explosion vor 13,14 Milliarden Jahren stattfand. Zum Vergleich: Der Urknall fand vor 13,8 Milliarden Jahren statt.

Die am weitesten bekannte Galaxie ist GN-z11. Im Jahr 2016 wurde das Hubble-Weltraumteleskop festgestellt, dass es nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall existierte . Wissenschaftler haben die Rotverschiebung von GN-z11 gemessen, um zu sehen, wie stark sein Licht durch die Expansion des Universums beeinflusst wurde. Die Rotverschiebung von GN-z11 war 11,1 viel höher als die zweithöchste Rotverschiebung von 8,68, die von der Galaxie EGSY8p7 gemessen wurde.

Wissenschaftler können mit der Rotverschiebung messen, wie das Universum im großen Maßstab aufgebaut ist. Ein Beispiel dafür ist die Große Mauer von Hercules-Corona Borealis; Licht braucht etwa 10 Milliarden Jahre, um durch die Struktur zu gehen. Der Sloan Digital Sky Survey ist ein laufendes Rotverschiebungsprojekt, das versucht, die Rotverschiebungen von mehreren Millionen Objekten zu messen. Die erste Redshift-Umfrage war die CfA-RedShift-Umfrage, die 1982 ihre erste Datenerhebung abschloss.

Ein aufstrebendes Forschungsgebiet betrifft die Gewinnung von Rotverschiebungsinformationen aus Gravitationswellen, bei denen es sich um Störungen in der Raumzeit handelt, die auftreten, wenn ein massiver Körper beschleunigt oder gestört wird. (Einstein schlug erstmals 1916 die Existenz von Gravitationswellen vor, und das Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) 2016 zum ersten Mal direkt entdeckt ). Da Gravitationswellen ein Signal tragen, das ihre rotverschobene Masse zeigt, erfordert das Extrahieren der Rotverschiebung laut einem Artikel aus dem Jahr 2014 einige Berechnungen und Schätzungen im peer-reviewed Journal Physical Review X .

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde am 7. August 2019 aktualisiert, um eine Korrektur widerzuspiegeln. In den ultravioletten Teil des Spektrums verschobene Radiowellen sind blauverschoben, nicht rotverschoben.