Das sichtbare Lichtspektrum.
(Bild: © NASA.)
Rotverschiebung und Blauverschiebung beschreiben, wie sich Licht zu kürzeren oder längeren Wellenlängen verschiebt, wenn sich Objekte im Raum (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 entfernt, wird das Licht zum roten Ende des Spektrums verschoben, wenn seine Wellenlängen länger werden. 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, stellen Sie sich vor, Sie hören eine Polizeisirene, während das Auto auf der Straße an Ihnen vorbeirauscht.
"Jeder hat die erhöhte Tonhöhe einer sich nähernden Polizeisirene und die starke Abnahme der Tonhöhe gehört, wenn die Sirene vorbeigeht und nachlässt. Der Effekt entsteht, weil die Schallwellen näher an das Ohr des Hörers gelangen, wenn sich die Quelle nähert, und weiter auseinander, wenn sie sich nähert." tritt zurück ", schrieb die ESA.
Ton und Licht
Dieser Soundeffekt 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 abhängig von der relativen Position von Objekten zusammen dehnen oder zusammenknirschen können. Das heißt, wir bemerken es nicht im alltäglichen Maßstab, weil das Licht so viel schneller als die Schallgeschwindigkeit ist - eine Million Mal schneller, so die ESA.
Der amerikanische Astronom Edwin Hubble (nach dem das Hubble-Weltraumteleskop benannt ist) hat als erster das Rotverschiebungsphänomen beschrieben und an ein expandierendes Universum gebunden. Seine Beobachtungen, die 1929 enthüllt wurden, zeigten, dass sich fast alle von ihm beobachteten Galaxien entfernen, sagte die NASA.
"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 entfernt ist, desto schneller tritt sie von der Erde zurück."
Die Galaxien entfernen sich von der Erde, weil sich das Gefüge des Weltraums selbst ausdehnt. Während sich die Galaxien selbst in Bewegung befinden - die Andromeda-Galaxie und die Milchstraße befinden sich beispielsweise auf einem Kollisionskurs - gibt es ein allgemeines Phänomen der Rotverschiebung, wenn das Universum größer wird.
Die Begriffe Rotverschiebung und Blauverschiebung gelten für jeden Teil des elektromagnetischen Spektrums, einschließlich Radiowellen, Infrarot-, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen. Wenn also Radiowellen in den ultravioletten Teil des Spektrums verschoben werden, werden sie als blauverschoben oder in Richtung der höheren Frequenzen verschoben. Zu 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 sie sich nicht bewegen würden (relativ zu uns). [Verwandte: Machen Sie Ihr eigenes Spektroskop]
Rotverschiebung ist definiert als die Änderung der Wellenlänge des Lichts geteilt durch die Wellenlänge, die das Licht haben würde, wenn sich die Quelle nicht bewegen würde - die Restwellenlänge genannt:
Drei Arten der Rotverschiebung
Mindestens drei Arten von Rotverschiebungen treten im Universum auf - aufgrund der Expansion des Universums, aufgrund der Bewegung von Galaxien relativ zueinander und aufgrund der "Gravitationsrotverschiebung", die auftritt, wenn Licht aufgrund der massiven Menge an Materie innerhalb einer Galaxie verschoben wird.
Diese letztere Rotverschiebung ist die subtilste der drei, aber 2011 konnten Wissenschaftler sie auf einer Skala von Universumsgröße identifizieren. Astronomen führten eine statistische Analyse eines großen Katalogs durch, der als Sloan Digital Sky Survey bekannt ist, und stellten fest, dass es zu einer Rotverschiebung der Gravitation kommt - genau im Einklang mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Diese Arbeit wurde in einem Nature Paper veröffentlicht.
"Wir haben unabhängige Messungen der Clustermassen, damit wir die Erwartung einer Gravitationsrotverschiebung basierend auf der allgemeinen Relativitätstheorie berechnen können", sagte der Astrophysiker Radek Wojtak von der Universität Kopenhagen zu dieser Zeit. "Es stimmt genau mit den Messungen dieses Effekts überein."
Der erste Nachweis der Gravitationsrotverschiebung erfolgte 1959, nachdem Wissenschaftler festgestellt hatten, dass er in Gammastrahlenlicht aus einem erdbasierten Labor auftritt. Vor 2011 wurde es auch in der Sonne und in nahe gelegenen weißen Zwergen oder den toten Sternen gefunden, die verbleiben, nachdem sonnengroße Sterne spät in ihrem Leben die Kernfusion eingestellt haben.
Bemerkenswerte Verwendung von Rotverschiebung
Mit Redshift können Astronomen die Entfernungen weit entfernter Objekte vergleichen. Im Jahr 2011 gaben Wissenschaftler bekannt, dass sie das am weitesten entfernte Objekt gesehen haben - einen Gammastrahlenausbruch namens GRB 090429B, der von einem explodierenden Stern ausging. Zu dieser Zeit schätzten Wissenschaftler, dass die Explosion vor 13,14 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Zum Vergleich: Der Urknall fand vor 13,8 Milliarden Jahren statt.
Die am weitesten bekannte Galaxie ist GN-z11. 2016 stellte das Hubble-Weltraumteleskop fest, dass es nur wenige hundert Millionen Jahre nach dem Urknall existierte. Wissenschaftler haben die Rotverschiebung von GN-z11 gemessen, um festzustellen, wie stark sein Licht von der Expansion des Universums beeinflusst wurde. Die Rotverschiebung von GN-z11 betrug 11,1 und war damit viel höher als die zweithöchste Rotverschiebung von 8,68, gemessen von der Galaxie EGSY8p7.
Wissenschaftler können mithilfe der Rotverschiebung messen, wie das Universum in großem Maßstab strukturiert ist. Ein Beispiel hierfür ist die Große Mauer Hercules-Corona Borealis; Licht braucht ungefähr 10 Milliarden Jahre, um durch die Struktur zu gelangen. Die Sloan Digital Sky Survey ist ein laufendes Rotverschiebungsprojekt, das versucht, die Rotverschiebungen von mehreren Millionen Objekten zu messen. Die erste Rotverschiebungsumfrage war die CfA RedShift-Umfrage, die 1982 ihre erste Datenerfassung abschloss.
Ein aufstrebendes Forschungsgebiet betrifft die Extraktion 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 Laserinterferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) entdeckte sie erstmals 2016 direkt). Da Gravitationswellen ein Signal tragen, das ihre rotverschobene Masse anzeigt, erfordert das Extrahieren der Rotverschiebung eine gewisse Berechnung und Schätzung. Dies geht aus einem Artikel aus dem Jahr 2014 in der Fachzeitschrift Physical Review X hervor.
Anmerkung der Redaktion: Dieser Artikel wurde am 7. August 2019 aktualisiert, um eine Korrektur widerzuspiegeln. Radiowellen, die in den ultravioletten Teil des Spektrums verschoben sind, sind blauverschoben und nicht rotverschoben.
