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 moln med material i universum. Astronomer använder många ljusegenskaper för att studera allt från planeter och deras månar till de mest avlägsna föremålen i kosmos.

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, säg a stjärna, rör sig mot en astronom på jorden (till exempel), då våglängden för dess strålning kommer 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 bort.

Doppler-effekten ligger bakom 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 skift, sedan som en rörlig källa som skickar ljuset tillbaka till kontoret och därmed förskjuter våglängden en sekund tid.)

När ett objekt avtar (dvs flyttar bort) från en iakttagare kommer topparna av strålningen som släpps ut att vara åtskilda längre från 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, t.ex. radio, röntgen eller gammastrålar. Optiska mätningar är dock de vanligaste och är källan till termen "redshift". Ju snabbare källan rör sig bort från observatören, desto större blir källan rödförskjutning. Ur energisynpunkt motsvarar längre våglängder lägre energistrålning.

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

Liksom med rödförskjutning är effekten tillämplig på andra band i det elektromagnetiska spektrumet, men effekten är mest ofta diskuterade gånger när man handlar med optiskt ljus, men inom vissa astronomifält är detta verkligen inte det fall.

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

Sedan, Edwin Hubble fann att de så kallade "spiralnebulor" som hade plågat astronomin i årtionden var inte nebulosor alls. De var faktiskt andra galaxer. Det var en fantastisk upptäckt och berättade för 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 det 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 in i allmän relativitet.

Det visar sig att Hubbles lag endast är sant till dess att forskning under de senaste decennierna har funnit det avlägsna galaxer går tillbaka snabbare än väntat. 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).

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

Genom att mäta avståndet till stjärnor och deras rödförskjutning eller blåskift kan astronomer kartlägga rörelse av vår galax och få en bild av hur vår galax kan se ut för en observatör från hela världen universum.

Doppler-effekten gör det också möjligt för forskare att mäta pulseringar av variabla stjärnor, liksom rörelser av partiklar som reser med otroliga hastigheter inuti relativistiska jetströmmar från supermassiva svarta hål.

Redigerad och uppdaterad av Carolyn Collins Petersen.