Dowiedz się więcej o efekcie Dopplera

Astronomowie badają światło z odległych obiektów, aby je zrozumieć. Światło porusza się w przestrzeni z prędkością 299 000 kilometrów na sekundę, a jego ścieżka może zostać odchylona przez grawitację, a także pochłonięta i rozproszona przez chmury materii we wszechświecie. Astronomowie używają wielu właściwości światła do badania wszystkiego, od planet i ich księżyców po najbardziej odległe obiekty w kosmosie.

Jednym z używanych przez nich narzędzi jest efekt Dopplera. Jest to zmiana częstotliwości lub długości fali promieniowania emitowanego z obiektu poruszającego się w przestrzeni. Nazwa pochodzi od austriackiego fizyka Christiana Dopplera, który po raz pierwszy zaproponował to w 1842 roku.

Jak działa efekt Dopplera? Jeśli źródłem promieniowania, powiedz a gwiazda, zmierza w kierunku astronoma na Ziemi (na przykład), wtedy długość fali jego promieniowania będzie wydawać się krótsza (wyższa częstotliwość, a zatem wyższa energia). Z drugiej strony, jeśli obiekt oddala się od obserwatora, wówczas długość fali pojawi się dłużej (niższa częstotliwość i niższa energia). Prawdopodobnie doświadczyłeś wersji efektu, gdy usłyszałeś gwizd pociągu lub syrenę policyjną, gdy przejeżdżał obok ciebie, zmieniając wysokość, gdy przechodzi obok ciebie i się oddala.

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. Wynikowe przesunięcie długości fali służy do obliczenia prędkości pojazdu. (Uwaga: w rzeczywistości jest to podwójna zmiana, ponieważ jadący samochód najpierw działa jako obserwator i doświadcza zmiany, następnie jako ruchome źródło wysyłające światło z powrotem do biura, przesuwając w ten sposób długość fali na sekundę czas.)

Kiedy obiekt cofa się (tzn. Oddala) od obserwatora, szczyty emitowanego promieniowania będą oddalone od siebie bardziej niż byłyby, gdyby obiekt źródłowy był nieruchomy. W rezultacie uzyskana długość fali światła wydaje się dłuższa. Astronomowie twierdzą, że jest „przesunięty na czerwony” koniec spektrum.

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

I odwrotnie, gdy źródło promieniowania zbliża się do obserwatora, fale świetlne wydają się bliżej siebie, skutecznie skracając długość fali świetlnej. (Ponownie krótsza długość fali oznacza wyższą częstotliwość, a zatem wyższą energię.) Spektroskopowo linie emisji wydają się przesunięte w kierunku niebieskiej strony spektrum optycznego, stąd nazwa przesunięcie bluesa.

Podobnie jak w przypadku przesunięcia ku czerwieni, efekt ma zastosowanie do innych pasm widma elektromagnetycznego, ale efekt jest największy często dyskutowane w przypadku światła optycznego, choć w niektórych dziedzinach astronomii na pewno nie jest to walizka.

Zastosowanie przesunięcia Dopplera zaowocowało ważnymi odkryciami w astronomii. Na początku XX wieku uważano, że wszechświat był statyczny. W rzeczywistości doprowadziło to Albert Einstein dodać kosmologiczną stałą do słynnego równania pola, aby „anulować” ekspansję (lub skurcz) przewidywaną przez jego obliczenia. W szczególności kiedyś uważano, że „krawędź” droga Mleczna reprezentował granicę statycznego wszechświata.

Następnie, Edwin Hubble odkrył, że tak zwane „mgławice spiralne”, które nękały astronomię od dziesięcioleci, były nie mgławice w ogóle. Były to właściwie inne galaktyki. To było niesamowite odkrycie i powiedział astronomom, że wszechświat jest znacznie większy, niż wiedzieli.

Następnie Hubble przystąpił do pomiaru przesunięcia Dopplera, w szczególności znajdując przesunięcie ku czerwieni tych galaktyk. Odkrył, że im dalej jest galaktyka, tym szybciej się cofa. Doprowadziło to do słynnego teraz Prawo Hubble'a, która mówi, że odległość obiektu jest proporcjonalna do jego prędkości recesji.

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

Jak się okazuje, prawo Hubble'a jest prawdziwe tylko do pewnego momentu, odkąd badania w ciągu ostatnich kilku dekad to wykazały odległe galaktyki cofają się szybciej niż przewidywano. Oznacza to, że ekspansja wszechświata przyspiesza. Powodem tego jest tajemnica, a naukowcy nazwali siłę napędową tego przyspieszenia ciemna energia. Uwzględniają to w równaniu pola Einsteina jako stałą kosmologiczną (choć ma inną postać niż sformułowanie Einsteina).

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

Mierząc odległość do gwiazd i ich przesunięcie ku czerwieni lub przesunięcie niebieskiego, astronomowie są w stanie zmapować ruch naszej galaktyki i uzyskaj obraz tego, jak nasza galaktyka może wyglądać dla obserwatora zza Ziemi wszechświat.

Efekt Dopplera pozwala także naukowcom mierzyć pulsacje gwiazd zmiennych, a także emanują ruchy cząstek poruszających się z niewiarygodną prędkością w relatywistycznych strumieniach strumieniowych od supermasywne czarne dziury.

Edytowane i zaktualizowane przez Carolyn Collins Petersen.